单例模式 - Singleton Pattern

概述

Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it.
确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例

实现

饿汉式 - 可用,容易造成内存浪费

类装载时就实例化,分为：静态变量和静态代码快

/**
 * 饿汉式 - 静态变量
 */
public class Singleton {
  // 类加载时被初始化 Singleton 类的实例
  private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

  private Singleton() {

  }

  // 实例的全局访问点
  public static Singleton getInstance() {
    return INSTANCE;
  }
}

/**
 * 饿汉式 - 静态代码快
 */
public class Singleton2 {
  private static final Singleton2 INSTANCE;

  static {
    INSTANCE = new Singleton2();
  }

  private Singleton2() {
  }

  public static Singleton2 getInstance() {
    return INSTANCE;
  }
}

优点
- 写法简单，线程安全(类装载时就实例化，避免线程同步问题)
缺点
- 类装载时就实例化，没有懒加载，容易造成内存浪费.
- 如果单例类依赖于其他类，这些依赖的类在类加载时也会被创建
- 它基于 classloader 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。

懒汉式

线程不安全 - 不可用，线程不安全
- 优点
  - 起到了懒加载（lazy loading）的作用
- 缺点
  - 线程不安全，只能在单线程下使用

/**
 * 懒汉式-线程不安全
 *
 */
public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

线程安全同步方法 - 不推荐，效率低
- 优点
  - 线程安全，懒加载（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，效率太低

/**
 * 懒汉式-线程安全
 */
public class Singleton2 {
    private static Singleton2 instance;

    private Singleton2() {
    }

    public static synchronized Singleton2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton2();
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁 - 推荐使用

优点
- 线程安全，懒加载，效率较高
缺点
- 多次判断，实现较为复杂
- 由于 Java 内存模型的限制，可能会出现指令重排的问题，需要使用 volatile 关键字来解决

/**
 * 双重校验锁 - DCL(double-checked locking)
 */
public class Singleton {
    // volatile 关键字可以确保 singleton 变量的可见性和有序性，从而保证多线程环境下的正确性
    private static volatile Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

静态内部类 - 推荐使用

优点
- 懒加载(静态内部类不会立即实例化，而是在调用getSingleton()时才会装载静态内部类,从而完成Singleton的实例化)
- 线程安全(类装载机制来保证初始化实例时只有一个线程,类的静态属性只有第一次加载类的时候才初始化,JVM帮助保证了线程的安全性,在类进行初始化时，别的线程无法进入.)
- 效率高
缺点
- 不易理解：相比于饿汉式和懒汉式，静态内部类单例模式的实现方式可能不太容易理解；
- 无法传递参数：静态内部类单例模式的构造函数是私有的，无法传递参数。如果需要传递参数，需要使用其他方式实现

/**
 * 静态内部类
 */
public class Singleton {
    private Singleton() {
    }
    // SingletonHolder 类是 Singleton 类的一个静态内部类，它在 Singleton 类被加载时并不会立即被加载，
    // 而是在第一次调用 Singleton.getInstance() 方法时才会被加载，从而实现了延迟加载
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return Singleton.SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

枚举 - 推荐使用

优点
- 线程安全，简单明了：枚举单例模式的实现非常简单，而且可以保证线程安全和实例的唯一性。
- 序列化安全：由于枚举实例在 JVM 中是唯一的，因此可以保证序列化和反序列化的安全性。
- 防止反射攻击：枚举实例在 JVM 中是唯一的，因此可以避免反射攻击。
缺点
- 不支持延迟加载：因为枚举类型的实例在类加载时就已经被创建了。
- 不能继承其他类：因为枚举类型默认继承了Enum类。

/**
 * 枚举类
 * 枚举类型的实例在 Java 虚拟机中是唯一的，因此枚举常量也是单例的
 */
public enum Singleton {
    INSTANCE;

    // 随便什么方法
    public void doSomething() {
    }
}

注册式单例模式

注册式单例模式是一种灵活而可扩展的实现方式。在该模式中，单例实例被注册到一个全局的注册表中，可以实现对象的统一管理和获取，但需要注意容器的生命周期和线程安全问题

优点
- 可以管理多个单例实例，可以通过名称或者其他方式来获取实例。
- 避免了全局变量带来的问题，比如命名冲突、不同作用域访问困难等。
缺点
- 容易造成内存泄漏，因为单例实例不会被释放。
- 可能会造成重复创建对象的问题。

/**
 * 注册式单例模式
 */
public class Singleton {

    private static Map<String, Singleton> instances = new ConcurrentHashMap<>();
    static {
        instances.put(Singleton.class.getName(), new Singleton());
    }
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        return instances.get(Singleton.class.getName());
    }
    public static void register(String key, Singleton instance) {
        instances.put(key, instance);
    }
    public static Singleton getRegisteredInstance(String key) {
        return instances.get(key);
    }
}

Spring 框架中的 Bean 注册机制使用的是注册式单例模式。在 Spring 中， Bean 的注册是通过 BeanDefinitionRegistry 接口来完成的，而 BeanDefinitionRegistry接口的实现类包括了 DefaultListableBeanFactory 和 GenericApplicationContext 等。这些实现类在内部都使用了类似于注册式单例模式的方式来注册和管理 Bean。具体来说，Spring 在注册 Bean 时，会将 Bean 的定义信息封装成一个 BeanDefinition 对象，并将其注册到一个全局的 BeanFactory 中，以供后续的使用。在注册 Bean 的过程中， Spring 会根据 BeanDefinition 中的配置信息来创建相应的 Bean 实例，同时还会对其进行依赖注入、生命周期管理等操作。需要注意的是，Spring 的 Bean 注册机制中，虽然使用了类似于注册式单例模式的方式来管理 Bean ，但它并不是一个完全的单例模式实现。在 Spring 中， Bean 的单例性是在运行时动态实现的，而不是在编译期就确定的。也就是说，如果在 BeanDefinition 中将 scope 属性设置为 prototype ，那么每次获取该 Bean 实例时都会创建一个新的对象，而不是返回同一个单例实例

ThreadLocal单例模式

优点
- 每个线程都有自己的单例对象副本，线程安全。
- 可以避免锁竞争，提高性能。
缺点
- 可能会导致内存泄漏问题，需要注意对象的生命周期。

/**
 * ThreadLocal单例模式
 */
public class Singleton {
    // ThreadLocal单例模式这种实现方式将单例对象存储在ThreadLocal中，每个线程都有自己的单例对象副本，保证了线程安全
    private static final ThreadLocal<Singleton> singletonThreadLocal = new ThreadLocal<Singleton>() {
        @Override
        protected Singleton initialValue() {
            return new Singleton();
        }
    };

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return singletonThreadLocal.get();
    }
}

类图

单例优缺点

优点

减少了内存开支

由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显

减少了系统的性能开销

由于单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决

避免对资源的多重占用

例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作

优化和共享资源访问

单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理

缺点

扩展差

单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。单例模式为什么不能增加接口呢？因为接口对单例模式是没有任何意义的，它要求“自行实例化”，并且提供单一实例、接口或抽象类是不可能被实例化的。当然，在特殊情况下，单例模式可以实现接口、被继承等，需要在系统开发中根据环境判断

测试困难

单例模式对测试是不利的。在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象

单例模式与单一职责原则有冲突

一个类应该只实现一个逻辑，而不关心它是否是单例的，是不是要单例取决于环境，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中

使用场景

在一个系统中，要求一个类有且仅有一个对象，如果出现多个对象就会出现“不良反 应”，可以采用单例模式，具体的场景如下：

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，例如一个Web页面上的计数器，可以不用把每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保是线程安全的；
创建一个对象需要消耗的资源过多，如要访问IO和数据库等资源；
需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式（当然，也可以直接声明为static的方式）

注意事项

在高并发情况下,请注意单例模式的线程同步问题
需要考虑对象的复制情况,最好方法就是单例类不要实现Cloneable接口

源码分析

JDK中的java.lang.Runtime采用的就是饿汉式的单例模式

public class Runtime {
  private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();

  /**
   * Returns the runtime object associated with the current Java application.
   * Most of the methods of class {@code Runtime} are instance
   * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
   *
   * @return the {@code Runtime} object associated with the current
   *          Java application.
   */
  public static Runtime getRuntime() {
    return currentRuntime;
  }

  /** Don't let anyone else instantiate this class */
  private Runtime() {
  }
  // ...
}

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单例模式 - Singleton Pattern

概述

实现

饿汉式 - 可用,容易造成内存浪费

懒汉式

双重检查锁 - 推荐使用

静态内部类 - 推荐使用

枚举 - 推荐使用

注册式单例模式

ThreadLocal单例模式

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枚举 - 推荐使用

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