单例模式（史上最全）

Posted 2022-12-16 40岁资深老架构师尼恩

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该如何优雅的、安全的使用单例模式呢？

单例模式是Java的核心模式，最好人人都精通。

那么，该如何优雅的使用单例模式呢？

来看看：

• 缓存之王 Caffeine 源码中，如何使用单例模式的？
• 链路之王 Skywalking 源码中，如何使用单例模式的？

另外，也看看 美团是如何进行 单例模式 的面试的。下面是一个美团面试题：

• 单例模式懒汉式和饿汉式有哪些区别？(美团)

注：本文以 PDF 持续更新，最新尼恩 架构笔记、面试题 的PDF文件，请从下面的链接获取：语雀 或者 码云

1.什么是单例

• 保证一个类只有一个实例，并且提供一个访问该全局访问点

2.那些地方用到了单例模式

1. 网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。
2. 应用程序的日志应用，一般都是单例模式实现，只有一个实例去操作才好，否则内容不好追加显示。
3. 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式，因为线程池要方便对池中的线程进行控制
4. Windows的（任务管理器）就是很典型的单例模式，他不能打开俩个
5. windows的（回收站）也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站只维护一个实例。

3.单例优缺点

优点：

1. 在单例模式中，活动的单例只有一个实例，对单例类的所有实例化得到的都是相同的一个实例。这样就防止其它对象对自己的实例化，确保所有的对象都访问一个实例
2. 单例模式具有一定的伸缩性，类自己来控制实例化进程，类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。
3. 提供了对唯一实例的受控访问。
4. 由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，当需要频繁创建和销毁的对象时单例模式无疑可以提高系统的性能。
5. 允许可变数目的实例。
6. 避免对共享资源的多重占用。

缺点：

1. 不适用于变化的对象，如果同一类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化，单例就会引起数据的错误，不能保存彼此的状态。
2. 由于单利模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
3. 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。
4. 滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为的单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为是垃圾而被回收，这将导致对象状态的丢失。

4.单例模式使用注意事项：

1. 使用时不能用反射模式创建单例，否则会实例化一个新的对象
2. 使用懒单例模式时注意线程安全问题
3. 饿单例模式和懒单例模式构造方法都是私有的，因而是不能被继承的，有些单例模式可以被继承（如登记式模式）

5.单例防止反射漏洞攻击

private static boolean flag = false;

private Singleton() 

	if (flag == false) 
		flag = !flag;
	 else 
		throw new RuntimeException("单例模式被侵犯！");
	


public static void main(String[] args) 

6.如何选择单例创建方式

• 如果不需要延迟加载单例，可以使用枚举或者饿汉式，相对来说枚举性好于饿汉式。
  如果需要延迟加载，可以使用静态内部类或者懒汉式，相对来说静态内部类好于懒韩式。
  最好使用饿汉式

7.单例创建方式

（主要使用懒汉和懒汉式）

1.饿汉式:
类初始化时,会立即加载该对象，线程天生安全,调用效率高。

2.懒汉式:
类初始化时,不会初始化该对象,真正需要使用的时候才会创建该对象,具备懒加载功能。

3.静态内部方式:
结合了懒汉式和饿汉式各自的优点，真正需要对象的时候才会加载，加载类是线程安全的。

4.枚举单例:
使用枚举实现单例模式

优点: 实现简单、调用效率高，枚举本身就是单例， 由jvm从根本上提供保障!避免通过反射和反序列化的漏洞;

缺点: 没有延迟加载。

5.双重检测锁方式

因为JVM重排序、内存可见性的原因，可能会初始化多次，

所以： 需要通过 Double Check 双重检查+ synchronized + Volatile 解决 同步问题和可见性问题。

1.饿汉式

类初始化时,会立即加载该对象，线程天生安全,调用效率高。

package com.crazymakercircle.designmodel.singleton;
//饿汉式
public class FSingleton 

    // 类初始化时,会立即加载该对象，线程安全,调用效率高
    private static final FSingleton instance = new FSingleton();

    // 私有化构造方法
    private FSingleton() 
    

 public   static FSingleton getInstance() 
        return instance;
    

饿汉模式就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了。

特点：

• 是否 Lazy 初始化：否
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：易

优点：

• 没有加锁，执行效率会提高。
• 这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象
• 它基于JVM class loader 机制, 是单线程执行的， 避免了多线程的同步问题

缺点：

• 类加载时就初始化，浪费内存，

2.懒汉式

类初始化时,不会初始化该对象,

真正需要使用的时候，才会创建该对象,具备懒加载功能。

package com.crazymakercircle.designmodel.singleton;
//懒汉模式
public class FLazySingleton 

    //类初始化时，不会初始化该对象，真正需要使用的时候才会创建该对象。
    private static  FLazySingleton instance = null;

    // 私有化构造方法
    private FLazySingleton() 
    

    //真正需要使用的时候才会创建该对象
    public static synchronized FLazySingleton getInstance() 
        if(null==instance)
        
            instance=new FLazySingleton();
        
        return instance;
    

3.静态内部类

静态内部方式:

结合了懒汉式和饿汉式各自的优点，真正需要对象的时候才会加载，加载类是线程安全的。

package com.crazymakercircle.designmodel.singleton;

public class Singleton  
    //静态内部类 
    private static class LazyHolder  
          //通过final保障初始化时的线程安全  
           private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); 
     
       //私有的构造器 
    private Singleton () 
      //获取单例的方法 
    public static final Singleton getInstance()  
      //返回内部类的静态、最终成员 
       return LazyHolder.INSTANCE; 
     
 

4.枚举单例式

枚举单例:

使用枚举实现单例模式 优点:实现简单、调用效率高，

枚举本身就是单例，由jvm从根本上提供保障!避免通过反射和反序列化的漏洞， 缺点没有延迟加载。

package com.lijie;

package com.crazymakercircle.designmodel.singleton;
//饿汉式
public enum SingletonEnumStyle 
    INSTANCE;
    // 类初始化时,会立即加载该对象，线程安全,调用效率高

    public  static SingletonEnumStyle getInstance() 
        return INSTANCE;
    

枚举实现单例模式 优点:

• 实现简单、枚举本身就是单例，由jvm从根本上提供保障!
• 避免通过反射和反序列化的漏洞

缺点：

• 没有延迟加载

5.双重检测锁方式

所谓懒加载，就是直到第一次被调用时才加载。其实现需要考虑并发问题和指令重排，代码如下：

public class Singleton 
 
    private volatile static Singleton instance; //①
 
    private Singleton()  //②
    
 
    public static Singleton getInstance() 
        if (instance == null) //③
            synchronized (Singleton.class) 
                if (instance == null) //④
                    instance = new Singleton();//⑤
                
            
        
        return instance;
    

这段代码精简至极，没有一个字符是多余的，下面逐行解读一下：

首先，注意到①处的volatile关键字，它具备两项特性：

一是保证此变量对于所有线程的可见性。

即当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。

二是禁止指令重排序优化。

这里解释一下指令重排序优化：

代码 ⑤ 处的instance = new Singleton(); 并不是原子的，大体可分为如下 3 步：

1. 分配内存
2. 调用构造函数初始化成实例
3. 让instance指向分配的内存空间

JVM 允许在保证结果正确的前提下进行指令重排序优化。

即如上 3 步可能的顺序为1->2->3 或 1->3->2 。

如果顺序是 1->3->2 ，当 3 执行完，2 还未执行时，另一个线程执行到代码 ③ 处，发现instance不为null，直接返回还未初始化好的instance并使用，就会报错。

所以使用volatile，就是为了保证线程间的可见性和防止指令重排。

其次，代码②处将构造函数声明为private目的：在于阻止使用new Singleton()这样的代码生成新实例。

最后，当客户端调用Singleton.getInstance()时，先检查是否已经实例化(代码③)，未实例化时同步代码块，然后再次检查是否已实例化(代码④)，然后才执行代码⑤。

两次检查的意义在于，防止synchronized同步过程中其他线程进行了实例化。

这就是著名的双重检查锁(Double check lock)实现单例，也即懒加载。

TIPS:

网上也有直接对 getInstance()方法加锁的版本，这样大范围的方法级别加锁会导致并发变低，实际上第一次调用生成实例之后，后续获取实例根本不需要并发控制了。

而本例的双重检查锁版本可以避免此并发问题。

双重检测锁 单例 非常重要， 涉及到Volatile 和可见性的底层原理， 深入学习/系统学习 双重检测锁 单例的内容， 请参见 《Java 高并发核心编程 卷2》 第8.1节：线程安全的单例模式

缓存之王 Caffeine 源码中，如何使用单例模式的？

答案是：枚举单例

并且，单例的名称叫做 INSTANCE

通过这个 INSTANCE 名字 做 关键词搜索， 能搜到一大把

来一个案例

再来一个案例

缓存之王 Caffeine 的详细资料，请参考下面的博客、或者对应的PDF文件：

• 《彻底穿透 缓存之王：Caffeine 源码、架构、原理（史上最全，10W字 超级长文）》
• 《彻底穿透 缓存之王：Caffeine 的使用（史上最全）》

链路之王 Skywalking 源码中，如何使用单例模式的？

答案是：枚举单例

并且，单例的名称叫做 INSTANCE

8 单例模式懒汉式和饿汉式有哪些区别？(美团)

单例模式是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：
1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

明确定义后，看一下代码：

饿汉模式

package com.crazymakercircle.designmodel.singleton;
//饿汉式
public class FSingleton 

    // 类初始化时,会立即加载该对象，线程安全,调用效率高
    private static final FSingleton instance = new FSingleton();

    // 私有化构造方法
    private FSingleton() 
    

 public   static FSingleton getInstance() 
        return instance;
    

饿汉模式就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了。

特点：

• 是否 Lazy 初始化：否
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：易

优点：

• 没有加锁，执行效率会提高。
• 这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象
• 它基于JVM class loader 机制, 是单线程执行的， 避免了多线程的同步问题

缺点：

• 类加载时就初始化，浪费内存，

懒汉模式

public class Singleton 
 
    private volatile static Singleton instance; //①
 
    private Singleton()  //②
    
 
    public static Singleton getInstance() 
        if (instance == null) //③
            synchronized (Singleton.class) 
                if (instance == null) //④
                    instance = new Singleton();//⑤
                
            
        
        return instance;
    

而懒汉比较懒，只有当调用getInstance的时候，才回去初始化这个单例。

特点：

• 是否 Lazy 初始化：是
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：难

1、线程安全：

饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题，

懒汉式本身是非线程安全的，需要通过多种手段，保证线程安全和内存可见性：

• volatile 保证内存可见性
• synchronized + 双重检查 保证线程安全

2、资源加载和性能：

饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成。

而懒汉式顾名思义，会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。

• 意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
• 主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。
• 何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。
• 如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。
• 关键代码：构造函数是私有的。
• 应用实例：

1、一个党只能有一个主席。
2、Windows是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：

1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：

1、要求生产唯一序列号。
2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用 Double Check 双重检查锁,synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成instance 被多次实例化。

注：本文以 PDF 持续更新，最新尼恩 架构笔记、面试题 的PDF文件，请从下面的链接获取：语雀 或者 码云

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