设计模式【1】-- 单例模式到底几种写法？

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单例模式，是一种比较简单的设计模式，也是属于创建型模式（提供一种创建对象的模式或者方式）。
要点：

1.涉及一个单一的类，这个类来创建自己的对象（不能在其他地方重写创建方法，初始化类的时候创建或者提供私有的方法进行访问或者创建，必须确保只有单个的对象被创建）。
2.单例模式不一定是线程不安全的。
- 3.单例模式可以分为两种：懒汉模式（在第一次使用类的时候才创建，可以理解为类加载的时候特别懒，要用的时候才去获取，要是没有就创建，由于是单例，所以只有第一次使用的时候没有，创建后就可以一直用同一个对象），饿汉模式（在类加载的时候就已经创建，可以理解为饿汉已经饿得饥渴难耐，肯定先把资源紧紧拽在自己手中，所以在类加载的时候就会先创建实例）
关键字：
- 单例：singleton
- 实例：instance
- 同步： synchronized

饿汉模式

1.私有属性

第一种single是public，可以直接通过Singleton类名来访问。

 public class Singleton {
    // 私有化构造方法，以防止外界使用该构造方法创建新的实例
    private Singleton(){
    }
    // 默认是public，访问可以直接通过Singleton.instance来访问
    static Singleton instance = new Singleton();
}

2.公有属性

第二种是用private修饰singleton，那么就需要提供static 方法来访问。

public class Singleton {
    private Singleton(){
    }
    // 使用private修饰，那么就需要提供get方法供外界访问
    private static Singleton instance = new Singleton();
    // static将方法归类所有，直接通过类名来访问
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;.
    }
}

3. 懒加载

饿汉模式，这样的写法是没有问题的，不会有线程安全问题（类的static成员创建的时候默认是上锁的，不会同时被多个线程获取到），但是是有缺点的，因为instance的初始化是在类加载的时候就在进行的，所以类加载是由ClassLoader来实现的，那么初始化得比较早好处是后来直接可以用，坏处也就是浪费了资源，要是只是个别类使用这样的方法，依赖的数据量比较少，那么这样的方法也是一种比较好的单例方法。
在单例模式中一般是调用getInstance()方法来触发类装载，以上的两种饿汉模式显然没有实现lazyload(个人理解是用的时候才触发类加载)
所以下面有一种饿汉模式的改进版，利用内部类实现懒加载。
这种方式Singleton类被加载了，但是instance也不一定被初始化，要等到SingletonHolder被主动使用的时候，也就是显式调用getInstance()方法的时候，才会显式的装载SingletonHolder类，从而实例化instance。这种方法使用类装载器保证了只有一个线程能够初始化instance，那么也就保证了单例，并且实现了懒加载。

值得注意的是：静态内部类虽然保证了单例在多线程并发下的线程安全性，但是在遇到序列化对象时，默认的方式运行得到的结果就是多例的。

public class Singleton {
    private Singleton(){
    }
    //内部类
    private static class SingletonHolder{
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }
    //对外提供的不允许重写的获取方法
    public static final Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

懒汉模式

最基础的代码（线程不安全）：

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

这种写法，是在每次获取实例instance的时候进行判断，如果没有那么就会new一个出来，否则就直接返回之前已经存在的instance。但是这样的写法不是线程安全的，当有多个线程都执行getInstance()方法的时候，都判断是否等于null的时候，就会各自创建新的实例，这样就不能保证单例了。所以我们就会想到同步锁，使用synchronized关键字：
加同步锁的代码（线程安全，效率不高）

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

这样的话，getInstance()方法就会被锁上，当有两个线程同时访问这个方法的时候，总会有一个线程先获得了同步锁，那么这个线程就可以执行下去，而另一个线程就必须等待，等待第一个线程执行完getInstance()方法之后，才可以执行。这段代码是线程安全的，但是效率不高，因为假如有很多线程，那么就必须让所有的都等待正在访问的线程，这样就会大大降低了效率。那么我们有一种思路就是，将锁出现等待的概率再降低，也就是我们所说的双重校验锁（双检锁）。

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

1.第一个if判断，是为了降低锁的出现概率，前一段代码，只要执行到同一个方法都会触发锁，而这里只有singleton为空的时候才会触发，第一个进入的线程会创建对象，等其他线程再进入时对象已创建就不会继续创建，如果对整个方法同步，所有获取单例的线程都要排队，效率就会降低。
2.第二个if判断是和之前的代码起一样的作用。

上面的代码看起来已经像是没有问题了，事实上，还有有很小的概率出现问题，那么我们先来了解：原子操作，指令重排。

1.原子操作

原子操作，可以理解为不可分割的操作，就是它已经小到不可以再切分为多个操作进行，那么在计算机中要么它完全执行了，要么它完全没有执行，它不会存在执行到中间状态，可以理解为没有中间状态。比如：赋值语句就是一个原子操作：

 n = 1; //这是一个原子操作

假设n的值以前是0，那么这个操作的背后就是要么执行成功n等于1，要么没有执行成功n等于0，不会存在中间状态，就算是并发的过程中也是一样的。
下面看一句不是原子操作的代码：

int n =1;  //不是原子操作

原因：这个语句中可以拆分为两个操作，1.声明变量n，2.给变量赋值为1，从中我们可以看出有一种状态是n被声明后但是没有来得及赋值的状态，这样的情况，在并发中，如果多个线程同时使用n，那么就会可能导致不稳定的结果。

2.指令重排

所谓指令重排，就是计算机会对我们代码进行优化，优化的过程中会在不影响最后结果的前提下，调整原子操作的顺序。比如下面的代码：

int a ;   // 语句1 
a = 1 ;   // 语句2
int b = 2 ;     // 语句3
int c = a + b ; // 语句4

正常的情况，执行顺序应该是1234，但是实际有可能是3124，或者1324，这是因为语句3和4都没有原子性问题，那么就有可能被拆分成原子操作，然后重排.
原子操作以及指令重排的基本了解到这里结束，看回我们的代码：

主要是instance = new Singleton()，根据我们所说的，这个语句不是原子操作，那么就会被拆分，事实上JVM（java虚拟机）对这个语句做的操作：

1.给instance分配了内存
2.调用Singleton的构造函数初始化了一个成员变量，产生了实例，放在另一处内存空间中
3.将instance对象指向分配的内存空间，执行完这一步才算真的完成了，instance才不是null。

在一个线程里面是没有问题的，那么在多个线程中，JVM做了指令重排的优化就有可能导致问题，因为第二步和第三步的顺序是不能够保证的，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，就会报空指针。
从更上一层来说，有一个线程是instance已经不为null但是仍没有完成初始化中间状态，这个时候有一个线程刚刚好执行到第一个if(instance==null),这里得到的instance已经不是null，然后他直接拿来用了，就会出现错误。
对于这个问题，我们使用的方案是加上volatile关键字。

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

volatile的作用：禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，这样，在它的赋值完成之前，就不会调用读操作。也就是在一个线程没有彻底完成instance = new Singleton();之前，其他线程不能够去调用读操作。

上面的方法实现单例都是基于没有复杂序列化和反射的时候，否则还是有可能有问题的，还有最后一种方法是使用枚举来实现单例，这个可以说的比较理想化的单例模式，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void doSomething() {

    }
}

以上最推荐枚举方式，当然现在计算机的资源还是比较足够的，饿汉方式也是不错的，其中懒汉模式下，如果涉及多线程的问题，也需要注意写法。

最后提醒一下，volatile关键字，只禁止指令重排序，保证可见性（一个线程修改了变量，对任何其他线程来说都是立即可见的，因为会立即同步到主内存），但是不保证原子性。

【作者简介】：
秦怀，公众号【秦怀杂货店】作者，技术之路不在一时，山高水长，纵使缓慢，驰而不息。这个世界希望一切都很快，更快，但是我希望自己能走好每一步，写好每一篇文章，期待和你们一起交流。

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