设计模式系列：单例模式

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1、单例模式是什么

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。

单例模式的适用场景：

需要频繁创建和获取的对象，例如 Spring 容器的各种 Bean。

创建对象耗时或资源消耗大，例如 Servlet 的 ServletContext。

工具类对象，例如 Jackson 的 ObjectMapper。

频繁访问数据库或文件的对象，例如 Druid 的 DruidDataSource。

需要控制共享资源访问的场景，例如 Spring 容器的 ApplicationContext。

2、单例模式的实现

2.1 懒汉式（非线程安全）

这种是最简单的单例写法，特点：

构造方法使用 private关键字，确保外部只能通过 getInstance() 获取单例。

实例对象使用 static 关键字，确保全局只有一个实例。

线程不安全：并发时可能出现多个单例。

其中最大的问题就是线程不安全，后面的多种方案都是为了解决线程不安全的问题。

2.2 饿汉式（线程安全）

相比起非线程安全的懒汉式写法，最大区别就是在类初始化的时候提前创建好实例。

特点：

线程安全：因为提前创建了，所以是天生的线程安全。

性能影响：在类加载的时候就会初始化，这对应用的启动会造成一定程度的影响。

2.3 懒汉式（使用synchronized）

相比起非线程安全的懒汉式写法，最大区别就是 getInstance() 方法使用 synchronized 修饰。

特点：

线程安全：因为使用了 synchronized 修饰 getIntance() 方法，可以保证获取实例一定是线程安全。

性能较差：每次获取实例之前都需要先获取锁，导致性能较差。

2.4 懒汉式（Double Check）

单例模式最经典的双重检查（Double Check）写法，相比起使用 synchronized 修饰 getInstance() 的懒汉模式，最大区别就是

使用 volatile 修饰实例（为什么要用 volatile 后面会解释）。

synchronized 不再用来修饰 getInstance() 方法，而是用来修饰 Singleton 类，并增加一段双重判断的逻辑。

特点：

线程安全。

性能较高：只在第一次创建实例的时候需要获取锁，后续在获取实例的时候可以直接返回，不需要获取锁。

2.5 饿汉式（静态内部类，推荐）

这种方式巧妙地解决了饿汉式（线程安全）的内存浪费问题和 synchronized 的性能问题。推荐使用这种方式。

避免内存浪费：内部类在方法被调用之前才会初始化，所以不会造成内存浪费和影响程序启动速度。

线程安全：内部类里面的实例其实就是饿汉式（线程安全）的写法，所以可以保证线程安全。

2.6 枚举实现（官方推荐）

《Effective Java》推荐枚举的方式，特点：

线程安全：枚举类型默认就是安全的

避免反序列化破坏单例

但是枚举类型会造成更多的内存消耗。枚举会比使用静态变量多消耗两倍的内存，如果是 Android 应用，尽量避免这种方式。

3、单例模式常见问题

3.1 为什么单例模式中的Double Check要加volatile

volatile 的作用是禁止指令重排序。在 java 里面 new 一个对象在 JVM 层面并不是一个原子操作，大概分为以下三条指令：

申请一块内存，此时成员变量赋默认值。

调用类的构造方法，给成员变量赋初始值。

将这块内存区域赋值给对应的变量。

JIT 编译器在进行代码优化的时候，有可能会进行指令重排序，把第2，3步骤调换。从 JVM 的角度来说这种调换并不会影响最终实例的创建，但是在这段 Double Check 代码里面，在高并发的情况下有可能会发生问题：

线程 A 在调用new Singleton()的时候，刚执行第二步（把内存区域赋值给INSTANCE 变量，此时内存里面的成员变量都是默认值），还没到第三步（调用类的构造方法，给成员变量赋初始值）的时候，线程 B 也调用了 getInstance 方法。

线程 B 判断INSTANCE == null，由于此时 INSTANCE 不为空，所以直接返回了INSTANCE 对象，但是此时 INSTANCE 才仅是半初始化状态（成员变量都是默认值），线程 B 拿到的其实是一个不完整的 INSTANCE 对象，这种情况下是会出问题的。

使用 volatile 来修饰 INSTANCE 对象，就可以避免指令重排序的问题。但是在实际的生产中，上述的情况发生的其实很少，只有在极高的并发量的时候才会偶尔出现。如果程序并发量不高，不使用 volatile 关键字一般也不会出现问题。