单例模式是什么？

单例模式看似是设计模式中最简单的一个类，并且其类图中只有一个类。它的主要原则是该类负责创建自己的对象，并且只有单个对象被创建。

单例模式的用处？

对于那些只需要一个的对象，比如：线程池 (threadpool) 、缓存 (cache) 、注册表 (registry)的对象。

单例模式的四种实现方法

经典的单例模式

实现代码

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
	//构造函数为private, 防止该类的实例被错误的创建
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        //保证实例只会被创建一次
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

问题

当多个线程执行时会出现不符合预期的结果

// 实现Runnable接口
public class T implements Runnable{
    @Override
    public void run(){
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  "+instance);
    }
}

// 测试类
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new T());
        Thread t2 = new Thread(new T());
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行结果：

结果分析：

    public static Singleton getInstance() {
        //保证实例只会被创建一次
        [0]if (instance == null) {
            [1]instance = new Singleton();
        }
        [2]return instance;
    }

假设两个线程分别叫t0、t1，若通过调试工具手动干预使其执行顺序为：

t0[0]->t1[0]->t0[1]->t0[2]->t1[1]->t1[2]

则会导致出现了两个实例，不符合单例模式的要求

加锁的单例模式

实现代码

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    // 使用synchronized进行同步，对Singleton类加锁
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

问题

虽然通过同步的方法解决了多线程的问题，但是同步影响了执行的性能。并且实例只需要创建一次，但是通过该方法每次调用getInstance() 函数都需要同步，很累赘。

急切的单例模式

实现代码

public class Singleton {
    // 利用静态变量，实现单例
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    //* 虽然不调用构造函数，需要防止系统自动创建public的构造函数
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

问题

该方案很好的解决多线程带来的问题，并且未使用同步方法。当类加载的时候便创建了其实例，没有延迟加载，可能导致内存的浪费。

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双重检查加锁

实现代码

public class Singleton {
    // 实现细节1：volatile关键字
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 实现细节2：两次判断是否为null
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

实现细节

实现细节1：为什么要加volatile关键字？

instance = new Singleton()	

因为上面这句代码并非原子操作，实际经历了三个步骤

1. 给对象分配内存
2. 初始化对象
3. 设置instance引用指向刚刚分配的内存地址

若不使用volatile关键词，JVM重排序可能导致其程序执行顺序为1->3->2

假设有线程t0、t1，可能出现如下情况：

1. t0 给对象分配内存
2. t0 设置instance引用指向刚刚分配的内存地址[此时instance != null]
3. t1 判断instance是否为null
4. t1 初次访问对象
5. t0 初始化对象
6. t0 初次访问对象

使用volatile关键字修饰的共享变量使用缓存一致性协议，保证了内存的可见性

实现细节2：为什么要使用两次检查

若不使用两次检查，假设有线程t0、t1，可能出现如下情况：

1. t0 判断instance是否为null
2. t1 判断instance是否为null
3. t0 进入临界区创建对象实例
4. t0 返回
5. t1 进入临界区创建对象实例
6. t1 返回

此时t0和t1创建了两个不同的实例，违反了单例的原则

问题

代码复杂，在JDK1.4以及更早版本的Java中，volatile关键字的实现会导致双重检查加锁的失效

内部类

public class Singleton {
    
    private Singleton() {
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }

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

通过该方法可以很好的多线程的问题，并且由于不需要锁，在高并发环境下具有优越的性能。并且其不同于类的静态变量的实现方法，仅在第一次调用getInstance()函数的时候才会创建实例，因此不会出现内存的浪费的情况。

普遍的问题

上述实现看似很完美，但是仍有一些问题

1. 序列化破坏单例模式
2. 反射攻击破坏单例模式