单例模式

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。

定义：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。

在应用这个模式时，单例对象的类必须保证只有一个实例存在。许多时候整个系统只需要拥有一个的全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为。

单例模式的特点

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

单例模式的优点

单例类只有一个实例
共享资源，全局使用
节省创建时间，提高性能

单例模式的Java实现

饿汉法 static final field

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成static和final变量了，在第一次引用该类的时候就会初始化创建对象实例，而不管实际是否需要创建。

public class Singleton {   
    private static final Singleton instance = new Singleton();  //使用static和final关键词
    private Singleton() {}  //提供一个私有的构造函数
    public static getInstance(){
        return instance;
    }
}

JDK中java.lang.Runtime就是采用了这种写法：

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

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

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

    //省略其他代码
 }

总结：

优点：编写简单，这种实现方式适合那些在初始化时就要用到单例的情况，这种方式简单粗暴，如果单例对象初始化非常快，而且占用内存非常小的时候这种方式是比较合适的，可以直接在应用启动时加载并初始化。
缺点：如果单例初始化的操作耗时比较长而应用对于启动速度又有要求，或者单例的占用内存比较大，再或者单例只是在某个特定场景的情况下才会被使用，而一般情况下是不会使用时，使用「饿汉式」的单例模式就是不合适的。饿汉法无法做到延迟创建对象。但是我们很多时候都希望对象可以尽可能地延迟加载，从而减小负载，所以就需要下面的懒汉法。

懒汉法（非线程安全）

这种写法是最简单的，由私有构造器和一个公有静态工厂方法构成，在工厂方法中对singleton进行null判断，如果是null就new一个出来，最后返回singleton对象。这种方法可以实现延时加载，但是有一个致命弱点：线程不安全。如果有两条线程同时调用getSingleton()方法，就有很大可能导致重复创建对象。

public class Singleton {  
	private static Singleton instance = null;  
	private Singleton (){}   
	public static Singleton getInstance() {  
	  if (instance == null) {  
	      instance = new Singleton();  
	  }  
	  return instance;  
	}  
 }

懒汉式（线程安全）

这种写法考虑了线程安全，将对singleton的null判断以及new的部分使用synchronized进行加锁。同时，对singleton对象使用volatile关键字进行限制，保证其对所有线程的可见性，并且禁止对其进行指令重排序优化。如此即可从语义上保证这种单例模式写法是线程安全的。注意，这里说的是语义上，实际使用中还是存在小坑的，会在后文写到。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton singleton = null; //使用volatile关键字
    private Singleton(){}
 
    public static Singleton getSingleton(){
        synchronized (Singleton.class){
            if(singleton == null){
                singleton = new Singleton();
            }
        }
        return singleton;
    }   

}

也可以写成

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

虽然上面这种写法是可以正确运行的，但是其效率低下，还是无法实际应用。因为每次调用getSingleton()方法，都必须在synchronized这里进行排队，而真正遇到需要new的情况是非常少的。所以，就诞生了第三种写法：

双重检查锁

public class Singleton {
    private static volatile Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getSingleton(){
        if(singleton == null){   // single check
            synchronized (Singleton.class){
                if(singleton == null){  // double check
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }    
}

这种写法被称为“双重检查锁”，双重检验锁模式，是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁，因为会有两次检查 instance == null，一次是在同步块外，一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次？因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if，如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。
两次null检查看似多此一举，但实际上却极大提升了并发度，进而提升了性能。为什么可以提高并发度呢？就像上文说的，在单例中new的情况非常少，绝大多数都是可以并行的读操作。因此在加锁前多进行一次null检查就可以减少绝大多数的加锁操作，执行效率提高的目的也就达到了。

坑

我们来看 instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。

给 instance 分配内存
调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

为了解决这个问题，我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。
这里要注意，有的人认为使用 volatile 的原因是可见性，也就是可以保证线程在本地不会存有 instance 的副本，每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子，取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。

那么，加上volatile之后的这种写法是不是绝对安全呢？前面说了，从语义角度来看，并没有什么问题。但是其实还是有坑。说这个坑之前我们要先来看看volatile这个关键字。其实这个关键字有两层语义。第一层语义相信大家都比较熟悉，就是可见性。可见性指的是在一个线程中对该变量的修改会马上由工作内存（Work Memory）写回主内存（Main Memory），所以会马上反应在其它线程的读取操作中。顺便一提，工作内存和主内存可以近似理解为实际电脑中的高速缓存和主存，工作内存是线程独享的，主存是线程共享的。volatile的第二层语义是禁止指令重排序优化。大家知道我们写的代码（尤其是多线程代码），由于编译器优化，在实际执行的时候可能与我们编写的顺序不同。编译器只保证程序执行结果与源代码相同，却不保证实际指令的顺序与源代码相同。这在单线程看起来没什么问题，然而一旦引入多线程，这种乱序就可能导致严重问题。volatile关键字就可以从语义上解决这个问题。

注意，前面反复提到“从语义上讲是没有问题的”，但是很不幸，禁止指令重排优化这条语义直到jdk1.5以后才能正确工作。在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，此前的JDK中即使将变量声明为volatile也无法完全避免重排序所导致的问题。所以，在jdk1.5版本前，双重检查锁形式的单例模式是无法保证线程安全的。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复。

静态内部类法

那么，有没有一种既可以延时加载，并且又能保证线程安全的简单写法呢？
我们可以把Singleton实例放到一个静态内部类中，这样就避免了静态实例在Singleton类加载的时候就创建对象，并且由于静态内部类只会被加载一次，所以这种写法也是线程安全的。
另外，在很多情况下JVM已经为我们提供了同步控制，比如：

在static {…}区块中初始化的数据
访问final字段时
因为在JVM进行类加载的时候他会保证数据是同步的，我们可以这样实现：采用内部类，在这个内部类里面去创建对象实例。这样的话，只要应用中不使用内部类 JVM 就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现「懒汉式」的延迟加载和线程安全。

public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton singleton = new Singleton();
    }
    
    private Singleton(){}
        
    public static Singleton getSingleton(){
        return SingletonHolder.singleton;
    }
}

第一次加载Singleton类时并不会初始化sInstance，只有第一次调用getInstance方法时虚拟机加载SingletonHolder 并初始化sInstance ，这样不仅能确保线程安全也能保证Singleton类的唯一性，所以推荐使用静态内部类单例模式。

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。

但是，上面提到的所有实现方式都有两个共同的缺点：

都需要额外的工作(Serializable、transient、readResolve())来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象实例时都会创建一个新的实例。
可能会有人使用反射强行调用我们的私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。

枚举写法

当然，还有一种更加优雅的方法来实现单例模式，那就是枚举写法.=，
《Java与模式》中，作者这样写道，使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且无偿地提供了序列化机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void doSomeThing() {  
	     // do something...
 	}  
}

使用方法：

public static void main(String args[]) {
	Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;
	singleton.doSomeThing();
}

我们可以通过Singleton.INSTANCE来访问实例，这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的，所以不需要担心double checked locking，而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。但是还是很少看到有人这样写，可能是因为不太熟悉吧。

使用枚举除了线程安全和防止反射强行调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。因此，Effective Java推荐尽可能地使用枚举来实现单例。

枚举的好处：

JVM会保证enum不能被反射并且构造器方法只执行一次。
此方法无偿提供了序列化机制，绝对防止反序列化时多次实例化。
运行时（compile-time ）创建对象（懒加载）

枚举是《Effective Java》作者推荐使用的方法，优点：不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。在《Java与模式》中，作者这样写道，使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且无偿地提供了序列化机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。

使用容器

public class SingletonManager { 
　　private static Map<String, Object> objMap = new HashMap<String,Object>();
　　private Singleton() { 
　　}
　　public static void registerService(String key, Objectinstance) {
　　　　if (!objMap.containsKey(key) ) {
　　　　　　objMap.put(key, instance) ;
　　　　}
　　}
　　public static ObjectgetService(String key) {
　　　　return objMap.get(key) ;
　　}
}

这种使用SingletonManager 将多种单例类统一管理，在使用时根据key获取对象对应类型的对象。这种方式使得我们可以管理多种类型的单例，并且在使用时可以通过统一的接口进行获取操作，降低了用户的使用成本，也对用户隐藏了具体实现，降低了耦合度。

如何破坏单例

反射
序列化和反序列化

总结

一般情况下可以直接使用饿汉式，如果明确要求要懒加载（lazy initialization）会倾向于使用静态内部类，如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。

静态内部类法是一个不错的选择。
最后，不管采取何种方案，请时刻牢记单例的三大要点：

线程安全
延迟加载
序列化与反序列化安全

参考资料

[1] 你真的会写单例模式吗——Java实现
[2] 【Java】设计模式：深入理解单例模式
[3] 深入Java单例模式
[4] 如何正确地写出单例模式

涉及到破坏单例模式：
[5] 深入理解单例模式（上）
[6] 单例模式的七种写法

Java实现单例模式