单例模式的七种写法，你都知道吗？

Posted 2021-09-28 三分恶

大家好，我是三乙己。考上大家一考：“单例模式的单例，怎样写的？”

“不就是构造方法私有化么？”

”对呀对呀！……单例模式有七种写法，你知道么？“

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言归正传……

单例模式（Singleton Pattern）可以说是最简单的设计模式了。

用一个成语来形容单例模式——“天无二日，国无二主”。

什么意思呢？就是当前进程确保一个类全局只有一个实例。

那单例模式有什么好处呢？[1]

• 单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支
• 单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销
• 单例模式可以避免对资源的多重占用
• 单例模式可以在系统设置全局的访问点

那单例模式是银弹吗？它有没有什么缺点？

• 单例模式一般没有接口，扩展很困难
• 单例模式不利于测试
• 单例模式与单一职责原则有冲突

那什么情况下要用单例模式呢？

• 要求生成唯一序列号的环境
• 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据
• 创建一个对象需要消耗的资源过多
• 需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境

接下来，进入今天的主题，我们来看看单例模式的七种写法！

1、饿汉式（线程安全）⭐

public class Singleton_1 {

    private static Singleton_1 instance=new Singleton_1();

    private Singleton_1() {
    }

    public static Singleton_1 getInstance() {
        return instance;
    }

}

饿汉式，就像它的名字，饥不择食，定义的时候直接初始化。

因为instance是个静态变量，所以它会在类加载的时候完成实例化，不存在线程安全的问题。

这种方式不是懒加载，不管我们的程序会不会用到，它都会在程序启动之初进行初始化。

所以我们就有了下一种方式👇

2、懒汉式（线程不安全）⭐

public class Singleton_2 {

    private static Singleton_2 instance;

    private Singleton_2() {
    }

    public static Singleton_2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton_2();
        }
        return instance;
    }

}

懒汉式 是什么呢？只有用到的时候才会加载，这就实现了我们心心念的懒加载。

但是！

它又引入了新的问题？什么问题呢？线程安全问题。

图片也很清楚，多线程的情况下，可能存在这样的问题：

一个线程判断instance==null，开始初始化对象；

还没来得及初始化对象时候，另一个线程访问，判断instance==null，也创建对象。

最后的结果，就是实例化了两个Singleton对象。

这不符合我们单例的要求啊？怎么办呢？

3、懒汉式（加锁）

public class Singleton_3 {

    private static Singleton_3 instance;

    private Singleton_3() {
    }

    public synchronized static Singleton_3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton_3();
        }
        return instance;
    }
}

最直接的办法，直接上锁呗！

但是这种把锁直接方法上的办法，所有的访问都需要获取锁，导致了资源的浪费。

那怎么办呢？

4、懒汉式（双重校验锁）⭐

public class Singleton_4 {
    //volatile修饰，防止指令重排
    private static volatile Singleton_4 instance;

    private Singleton_4() {
    }

    public static Singleton_4 getInstance() {
        //第一重校验，检查实例是否存在
        if (instance == null) {
            //同步块
            synchronized (Singleton_4.class) {
                //第二重校验，检查实例是否存在，如果不存在才真正创建实例
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton_4();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

这是比较推荐的一种，双重校验锁。

它的进步在哪里呢？

我们把synchronized加在了方法的内部，一般的访问是不加锁的，只有在instance==null的时候才加锁。

同时我们来看一下一些关键问题。

• 首先我们看第一个问题，为什么要双重校验？

大家想一下，如果不双重校验。

如果两个线程一起调用getInstance方法，并且都通过了第一次的判断instance==null，那么第一个线程获取了锁，然后实例化了instance，然后释放了锁，然后第二个线程得到了线程，然后马上也实例化了instance。这就不符合我们的单例要求了。

接着我们来看第二个问题，为什么要用volatile 修饰 instance？

我们可能知道答案是防止指令重排。

那这个重排指的是哪？指的是instance = new Singleton()，我们感觉是一步操作的实例化对象，实际上对于JVM指令，是分为三步的：

1. 分配内存空间
2. 初始化对象
3. 将对象指向刚分配的内存空间

有些编译器为为了性能优化，可能会把第二步和第三步进行重排序，顺序就成了：

1. 分配内存空间
2. 将对象指向刚分配的内存空间
3. 初始化对象

所以呢，如果不使用volatile防止指令重排可能会发生什么情况呢？

在这种情况下，T7时刻线程B对instance的访问，访问的是一个初始化未完成的对象。

所以需要在instance前加入关键字volatile。

• 使用了volatile关键字后，可以保证有序性，指令重排序被禁止；
• volatile还可以保证可见性，Java内存模型会确保所有线程看到的变量值是一致的。

5、单例模式（静态内部类）

public class Singleton_5 {

    private Singleton_5() {
    }

    private static class InnerSingleton {
        private static final Singleton_5 instance = new Singleton_5();
    }

    public static Singleton_5 getInstance() {
        return InnerSingleton.instance;
    }
}

静态内部类是更进一步的写法，不仅能实现懒加载、线程安全，而且JVM还保持了指令优化的能力。

Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会加载静态内部类InnerSingleton类，从而完成Singleton的实例化。

类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，同时类加载的过程又是线程互斥的，JVM帮助我们保证了线程安全。

6、单例模式（CAS）

public class Singleton_6 {

    private static final AtomicReference<Singleton_6> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton_6>();

    private Singleton_6() {
    }

    public static final Singleton_6 getInstance() {
        //等待
        while (true) {
            Singleton_6 instance = INSTANCE.get();
            if (null == instance) {
                INSTANCE.compareAndSet(null, new Singleton_6());
            }
            return INSTANCE.get();
        }
    }
}

这种CAS式的单例模式算是懒汉式直接加锁的一个变种，sychronized是一种悲观锁，而CAS是乐观锁，相比较，更轻量级。

当然，这种写法也比较罕见，CAS存在忙等的问题，可能会造成CPU资源的浪费。

7、单例模式（枚举）

public enum Singleton_7 {

    //定义一个枚举，代表了Singleton的一个实例
    INSTANCE;
    public void anyMethod(){
        System.out.println("do any thing");
    }
}

调用方式：

    @Test
    void anyMethod() {
        Singleton_7.INSTANCE.anyMethod();
    }

《Effective Java》作者推荐的一种方式，非常简练。

但是这种写法解决了最主要的问题：线程安全、⾃由串⾏化、单⼀实例。

总结

从使用的角度来讲，如果不需要懒加载的话，直接饿汉式就行了；如果需要懒加载，可以考虑静态内部类，或者尝试一下枚举的方式。

从面试的角度，懒汉式、饿汉式、双重校验锁饿汉式，这三种是重点。双重校验锁方式一定要知道指令重排是在哪，会导致什么问题。

简单的事情重复做，重复的事情认真做，认真的事情有创造性地做。

我是三分恶，一个努力学习中的程序员。

点赞、关注不迷路，咱们下期见！

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参考：

[1]. 《设计模式之禅》

[2]. 《重学设计模式》

[3]. 设计模式系列 - 单例模式

[4]. Java中的双重检查锁（double checked locking）