剑指offer —面试题2：实现Singleton模式

题目：

设计一个类，我们只能生成该类的一个实例。

单例模式（Singleton Pattern）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。

介绍

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。

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、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() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class)防止多线程同时进入造成instance被多次实例化。

实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo，我们的演示类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

步骤 1

创建一个 Singleton 类。

SingleObject.java

public class SingleObject {   //创建 SingleObject 的一个对象   private static SingleObject instance = new SingleObject();   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化   private SingleObject(){}   //获取唯一可用的对象   public static SingleObject getInstance(){      return instance;   }   public void showMessage(){      System.out.println("Hello World!");   }}

步骤 2

从 singleton 类获取唯一的对象。

SingletonPatternDemo.java

public class SingletonPatternDemo {

   public static void main(String[] args) {

      //不合法的构造函数

      //编译时错误：构造函数 SingleObject()是不可见的

      //SingleObject object = new SingleObject();

      //获取唯一可用的对象

      SingleObject object = SingleObject.getInstance();

      //显示消息

      object.showMessage();

   }

}

步骤 3

验证输出

Hello World!

单例模式的实现有多种方式

1、懒汉式，线程不安全

2、懒汉式，线程安全

3、饿汉式

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即double-checked locking）

5、登记式/静态内部类

6、枚举

1、懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

实现难度：易

描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

代码实例：

public class Singleton {  

    private static Singleton instance;  

    private Singleton (){}  

    public static Singleton getInstance() {  

    if (instance == null) {  

        instance = new Singleton();  

    }  

    return instance;  

}  

}  

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。

2、懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99%情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

代码实例：

public class Singleton {  

    private static Singleton instance;  

    private Singleton (){}  

    public static synchronized Singleton getInstance() {  

    if (instance == null) {  

        instance = new Singleton();  

    }  

    return instance;  

}

}

3、饿汉式

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化instance显然没有达到lazy loading的效果。

代码实例：

public class Singleton {  

    private static Singleton instance = new Singleton();  

    private Singleton (){}  

    public static Singleton getInstance() {  

    return instance;  

}  

}  

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5起

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。

代码实例：

public class Singleton {  

    private volatile static Singleton singleton;  

    private Singleton (){}  

    public static Singleton getSingleton() {  

    if (singleton == null) {  

        synchronized (Singleton.class) {  

        if (singleton == null) {  

            singleton = new Singleton();  

        }  

        }  

    }  

    return singleton;  

    }

  }  

5、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：一般

描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第3种方式不同的是：第3种方式只要Singleton类被装载了，那么instance就会被实例化（没有达到lazy loading效果），而这种方式是Singleton类被装载了，instance不一定被初始化。因为SingletonHolder类没有被主动使用，只有显示通过调用getInstance方法时，才会显示装载SingletonHolder类，从而实例化instance。想象一下，如果实例化instance很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在Singleton类加载时就实例化，因为不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化instance显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第3种方式就显得很合理。

代码实例：

public class Singleton {  

    private static class SingletonHolder {  

    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  

    }  

    private Singleton (){}  

    public static final Singleton getInstance() {  

    return SingletonHolder.INSTANCE;  

    }  

}   

6、枚举

JDK 版本：JDK1.5起

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于JDK1.5之后才加入enum特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

代码实例：

public enum Singleton {  

    INSTANCE;  

    public void whateverMethod() {  

    }  

}  

经验之谈：一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第3种饿汉方式。只有在要明确实现lazy loading效果时，才会使用第5种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第6种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第4种双检锁方式。