在有些系统中，为了节省内存资源、保证数据内容的一致性，对某些类要求只能创建一个实例，这就是所谓的 Singleton Pattern，也就单例模式。

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。

在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例，这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个 Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中；每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。

在 Android 开发中，我们常用的网络请求框架『OkHttp』，官方就建议 OkHttpClient 实例仅新建一次，所以我们也可以做成单例模式。

总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。

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。

优缺点

优点

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）。
避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问（比如可以设计一个单例类负责所有数据表的映射处理）。

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。

实现

通常，普通类的构造函数是公有的，外部类可以通过 new 构造函数来生成多个实例。但是，如果将类的构造函数设为私有的，外部类就无法调用该构造函数，也就无法生成多个实例。这时该类自身必须定义一个静态私有实例，并向外提供一个静态的公有函数用于创建或获取该静态私有实例。

结构如下：

单例模式有多种创建的方式，各有利弊，最常用的有懒汉式和饿汉式，下面一一讲解。

Lazy：懒汉式

懒汉式其实是一种比较形象的称谓。既然懒，那么在创建对象实例的时候就不着急，一直等到马上要使用对象实例的时候才会创建，懒人嘛，总是推脱不开的时候才会真正去执行工作，因此在装载对象的时候不创建对象实例。

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

这段代码简单明了，而且使用了懒加载模式，但是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候，就会创建多个实例。也就是说在多线程下不能正常工作，是线程不安全的创建方式。

我们可以改进一下：

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

虽然做到了线程安全，并且解决了多实例的问题，但是它并不高效，因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法，而同步操作只在第一次调用时才被需要，即第一次创建单例实例对象时，所以会造成不必要的同步开销。

这就引出了双重检验锁。

Double-Checked Locking：双重检验锁

双重检验锁模式（Double-Checked Locking Pattern）是一种使用同步块加锁的方法，程序员称其为双重检查锁，因为会有两次检查实例是否为 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。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton () {}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {                         // Single Checked
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {                 // Double Checked
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于 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 执行完毕且 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。

其实只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;     // 声明成 volatile
    private Singleton () {}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {                         
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {       
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

有些人认为使用 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）。

特别注意，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 Memory Model，Java 内存模型）是存在缺陷的，即使将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式，当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

Hungry：饿汉式

饿汉式其实是一种比较形象的称谓。既然饿，那么在创建对象实例的时候就比较着急，饿了嘛，于是在装载类的时候就创建对象实例。

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，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。

public class Singleton {
    private static final Singleton instance = new Singleton();      // 类加载时就初始化
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

缺点是它不是一种懒加载模式（Lazy Initialization），单例会在加载类后一开始就被初始化，即使客户端没有调用 getInstance() 方法。

饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用：譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的，在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它，那样这种单例写法就无法使用了。

Static Nested Class：静态内部类

这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton () {}  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE; 
    }  
}

这种写法仍然使用 JVM 本身机制保证了线程安全问题。由于静态单例对象没有作为 Singleton 的成员变量直接实例化，因此类加载时不会实例化 Singleton，第一次调用 getInstance() 时将加载内部类 SingletonHolder，在该内部类中定义了一个 static 类型的变量 INSTANCE，此时会首先初始化这个成员变量，由 Java 虚拟机来保证其线程安全性，确保该成员变量只能初始化一次。由于 getInstance() 方法没有任何线程锁定，因此其性能不会造成任何影响。

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。

Enum：枚举

用枚举写单例实在太简单了！这也是它最大的优点。

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

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。

这种实现方式实际上还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法，同时也是《Effective Java》作者 Josh Bloch 提倡的方式。不过，由于 Java 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。

总结

一般情况下，单例模式有上述五种实现方法，也都给出了线程安全的实现。

大多数情况下直接使用饿汉式即可；如果明确要求要懒加载（Lazy Initialization）倾向于使用静态内部类，不建议直接使用懒汉式；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；如果有其他特殊的需求，可以考虑使用双检锁方式。

Design Pattern: Singleton Pattern

特点

优缺点

优点

缺点

实现

Lazy：懒汉式

Double-Checked Locking：双重检验锁

Hungry：饿汉式

Static Nested Class：静态内部类

Enum：枚举

总结

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