應用場景
由于單例模式只生成一個實例, 減少了系統性能開銷(如: 當一個對象的產生需要比較多的資源時, 如讀取配置, 產生其他依賴對象, 則可以通過在應用啟動時直接產生一個單例對象, 然后永久駐留內存的方式來解決)
Windows中的任務管理器;文件系統, 一個操作系統只能有一個文件系統;數據庫連接池的設計與實現;SPRing中, 一個Component就只有一個實例java-Web中, 一個Servlet類只有一個實例;實現要點
聲明為private來隱藏構造器private static Singleton實例聲明為public來暴露實例獲取方法單例模式主要追求三個方面性能
線程安全調用效率高延遲加載實現方式
主要有五種實現方式，懶漢式（延遲加載，使用時初始化），餓漢式（JVM加載資源時初始化），雙重檢查，靜態內部類，枚舉。
懶漢式，線程不安全的實現由于沒有同步，多個線程可能同時檢測到實例沒有初始化而分別初始化，從而破壞單例約束。
缺點：線程不安全，產生多個實例
public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton() { }; public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; }} 懶漢式，線程安全但效率低下的實現 優點：線程安全，延遲加載 缺點：低效，public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton() { }; public static synchronized Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; }}由于對象只需要在初次初始化時需要同步，多數情況下不需要互斥的獲得對象，加鎖會造成巨大無意義的資源消耗
雙重檢查 優點：線程安全，延遲加載，高效；
這種方法對比于上面的方法確保了只有在初始化的時候需要同步，當初始化完成后，再次調用getInstance不會再進入synchronized塊。
public class Singleton { private static volatile Singleton instance; private Singleton() { }; public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } } } return instance; }}說明： 內部檢查是必要的
由于在同步塊外的if語句中可能有多個線程同時檢測到instance為null同時進入同步塊區外部（synchronized (Singleton.class)之外），所以在進入同步塊后還需要再判斷是否為null，避免后續獲得鎖的線程再次對instance進行初始化。
instance聲明為volatile類型是必要的。指示JVM不用優化。
指令重排
由于初始化操作 instance=new Singleton()是非原子操作的，主要包含三個過程
1、給instance分配內存 2、調用構造函數初始化instance 3、將instance指向分配的空間（instance指向分配空間后，instance就不為空了）
雖然synchronized塊保證了只有一個線程進入同步塊，但是在同步塊內部JVM出于優化需要可能進行指令重排，例如（1->3->2），instance還沒有初始化之前其他線程就會在外部檢查到instance不為null，而返回還沒有初始化的instance，從而造成邏輯錯誤。
volatile保證變量的可見性
volatile類型變量可以保證寫入對于讀取的可見性，JVM不會將volatile變量上的操作與其他內存操作一起重新排序，volatile變量不會被緩存在寄存器，因此保證了檢測instance狀態時總是檢測到instance的最新狀態。
注意：volatile并不保證操作的原子性，例如即使count聲明為volatile類型，count++操作被分解為讀取->寫入兩個操作，雖然讀取到的是count的最新值，但并不能保證讀取與寫入之間不會有其他線程再次寫入，從而造成邏輯錯誤
餓漢式 優點：線程安全 缺點：沒有延遲加載 這種方式基于單ClassLoder機制，instance在類加載時進行初始化，避免了同步問題。餓漢式的優勢在于實現簡單，劣勢在于不是延遲加載模式（lazy initialization）
在需要實例之前就完成了初始化，在單例較多的情況下，會造成內存占用，加載速度慢問題 由于在調用getInstance（）之前就完成了初始化，如果需要給getInstance（）函數傳入參數，將會無法實現
public class Singleton { private static final Singleton instance = new Singleton(); private Singleton() { }; public static Singleton getInstance() { return instance; }}私有靜態內部類 優點：延遲加載，線程安全
由于私有內部類不會在類的外部被使用，所以只有在調用getInstance()方法時才會被加載。同時依賴JVM的ClassLoader類加載機制保證了不會出現同步問題。 私有靜態內部類保證了外部訪問不到，內部類的靜態屬性，保證了當多線程調用getInstance時候，jvm加載Holder字節碼文件時候對靜態成員變量初始化保證線程安全。加載成功后instance實例已經創建，已經不存在線程安全的問題，同時保證了延遲加載（只要不調用getInstance方法就不會實例化Holder 類)。
public class Singleton { private Singleton() { }; public static Singleton getInstance() { return Holder.instance; } private static class Holder{ private static Singleton instance = new Singleton(); }}枚舉方法
參見枚舉類解析
線程安全由于枚舉類的會在編譯期編譯為繼承自java.lang.Enum的類，其構造函數為私有，不能再創建枚舉對象，枚舉對象的聲明和初始化都是在static塊中，所以由JVM的ClassLoader機制保證了線程的安全性。但是不能實現延遲加載
序列化由于枚舉類型采用了特殊的序列化方法，從而保證了在一個JVM中只能有一個實例。
枚舉類的實例都是static的，且存在于一個數組中，可以用values()方法獲取該數組 在序列化時，只輸出代表枚舉類型的名字屬性 name 反序列化時，根據名字在靜態的數組中查找對應的枚舉對象，由于沒有創建新的對象，因而保證了一個JVM中只有一個對象
public enum Singleton { INSTANCE; public String error(){ return "error"; }}單例模式的破壞與防御
反射
對于枚舉類，該破解方法不適用。
import java.lang.reflect.Constructor;public class TestCase { public void testBreak() throws Exception { Class<Singleton> clazz = (Class<Singleton>) Class.forName("Singleton"); Constructor<Singleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(); constructor.setaccessible(true); Singleton instance1 = constructor.newInstance(); Singleton instance2 = constructor.newInstance(); System.out.println("singleton? " + (instance1 == instance2)); } public static void main(String[] args) throws Exception{ new TestCase().testBreak(); }}序列化
對于枚舉類，該破解方法不適用。
該測試首先需要聲明Singleton為實現了可序列化接口
public class Singleton implements Serializablepublic class TestCase { private static final String SYSTEM_FILE = "save.txt"; public void testBreak() throws Exception { Singleton instance1 = Singleton.getInstance(); ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(SYSTEM_FILE)); oos.writeObject(instance1); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(SYSTEM_FILE)); Singleton instance2 = (Singleton) ois.readObject(); System.out.println("singleton? " + (instance1 == instance2)); } public static void main(String[] args) throws Exception{ new TestCase().testBreak(); }}ClassLoader
JVM中存在兩種ClassLoader，啟動內裝載器(bootstrap)和用戶自定義裝載器(user-defined class loader)，在一個JVM中可能存在多個ClassLoader，每個ClassLoader擁有自己的NameSpace。一個ClassLoader只能擁有一個class對象類型的實例，但是不同的ClassLoader可能擁有相同的class對象實例，這時可能產生致命的問題。
防御
對于序列化與反序列化，我們需要添加一個自定義的反序列化方法，使其不再創建對象而是直接返回已有實例，就可以保證單例模式。
我們再次用下面的類進行測試，就發現結果為true。
public final class Singleton { private Singleton() { } private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); public static Singleton getInstance() { return INSTANCE; } private Object readResolve() throws ObjectStreamException { // instead of the object we're on, // return the class variable INSTANCE return INSTANCE; }public class TestCase { private static final String SYSTEM_FILE = "save.txt"; public void testBreak() throws Exception { Singleton instance1 = Singleton.getInstance(); ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(SYSTEM_FILE)); oos.writeObject(instance1); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(SYSTEM_FILE)); Singleton instance2 = (Singleton) ois.readObject(); System.out.println("singleton? " + (instance1 == instance2)); } public static void main(String[] args) throws Exception { new TestCase().testBreak(); }} }單例模式性能總結
| 方式 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|
| 餓漢式 | 線程安全, 調用效率高 | 不能延遲加載 |
| 懶漢式 | 線程安全, 可以延遲加載 | 調用效率不高 |
| 雙重檢測鎖式 | 線程安全, 調用效率高, 可以延遲加載 | - |
| 靜態內部類式 | 線程安全, 調用效率高, 可以延遲加載 | - |
| 枚舉單例 | 線程安全, 調用效率高 | 不能延遲加載 |
單例性能測試
測試結果：
HungerSingleton 共耗時: 30 毫秒LazySingleton 共耗時: 48 毫秒DoubleCheckSingleton 共耗時: 25 毫秒StaticInnerSingleton 共耗時: 16 毫秒EnumSingleton 共耗時: 6 毫秒在不考慮延遲加載的情況下，枚舉類型獲得了最好的效率，懶漢模式由于每次方法都需要獲取鎖，所以效率最低，靜態內部類與雙重檢查的效果類似。考慮到枚舉可以輕松有效的避免序列化與反射，所以枚舉是較好實現單例模式的方法。
public class TestCase { private static final String SYSTEM_FILE = "save.txt"; private static final int THREAD_COUNT = 10; private static final int CIRCLE_COUNT = 100000; public void testSingletonPerformance() throws IOException, InterruptedException { final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT); FileWriter writer = new FileWriter(new File(SYSTEM_FILE), true); long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for (int i = 0; i < CIRCLE_COUNT; ++i) { Object instance = Singleton.getInstance(); } latch.countDown(); } }).start(); } latch.await(); long end = System.currentTimeMillis(); writer.append("Singleton 共耗時: " + (end - start) + " 毫秒/n"); writer.close(); } public static void main(String[] args) throws Exception{ new TestCase().testSingletonPerformance(); }}補充知識
類加載機制
static關鍵字的作用是把類的成員變成類相關,而不是實例相關，static塊會在類首次被用到的時候進行加載，不是對象創建時，所以static塊具有線程安全性
普通初始化塊當Java創建一個對象時, 系統先為對象的所有實例變量分配內存(前提是該類已經被加載過了), 然后開始對這些實例變量進行初始化, 順序是: 先執行初始化塊或聲明實例變量時指定的初始值(這兩處執行的順序與他們在源代碼中排列順序相同), 再執行構造器里指定的初始值.
靜態初始化塊
又名類初始化塊(普通初始化塊負責對象初始化, 類初始化塊負責對類進行初始化). 靜態初始化塊是類相關的, 系統將在類初始化階段靜態初始化, 而不是在創建對象時才執行. 因此靜態初始化塊總是先于普通初始化塊執行.
執行順序
系統在類初始化以及對象初始化時, 不僅會執行本類的初始化塊[static/non-static], 而且還會一直上溯到java.lang.Object類, 先執行Object類中的初始化塊[static/non-static], 然后執行其父類的, 最后是自己.
頂層類(初始化塊, 構造器) -> … -> 父類(初始化塊, 構造器) -> 本類(初始化塊, 構造器)
小結
static{} 靜態初始化塊會在類加載過程中執行;
{} 則只是在對象初始化過程中執行, 但先于構造器;
內部類
內部類訪問權限
Java 外部類只有兩種訪問權限:public/default, 而內部類則有四種訪問權限:private/default/protected/public. 而且內部類還可以使用static修飾;內部類可以擁有private訪問權限、protected訪問權限、public訪問權限及包訪問權限。如果成員內部類Inner用private修飾，則只能在外部類的內部訪問，如果用public修飾，則任何地方都能訪問；如果用protected修飾，則只能在同一個包下或者繼承外部類的情況下訪問；如果是默認訪問權限，則只能在同一個包下訪問。這一點和外部類有一點不一樣，外部類只能被public和包訪問兩種權限修飾。成員內部類可以看做是外部類的一個成員，所以可以像類的成員一樣擁有多種權限修飾。 內部類分為成員內部類與局部內部類, 相對來說成員內部類用途更廣泛, 局部內部類用的較少(匿名內部類除外), 成員內部類又分為靜態(static)內部類與非靜態內部類, 這兩種成員內部類同樣要遵守static與非static的約束(如static內部類不能訪問外部類的非靜態成員等) 非靜態內部類
非靜態內部類在外部類內使用時, 與平時使用的普通類沒有太大區別; Java不允許在非static內部類中定義static成員，除非是static final的常量類型 如果外部類成員變量, 內部類成員變量與內部類中的方法里面的局部變量有重名, 則可通過this, 外部類名.this加以區分. 非靜態內部類的成員可以訪問外部類的private成員, 但反之不成立, 內部類的成員不被外部類所感知. 如果外部類需要訪問內部類中的private成員, 必須顯示創建內部類實例, 而且內部類的private權限對外部類也是不起作用的: 靜態內部類
使用static修飾內部類, 則該內部類隸屬于該外部類本身, 而不屬于外部類的某個對象. 由于static的作用, 靜態內部類不能訪問外部類的實例成員, 而反之不然; 匿名內部類
如果(方法)局部變量需要被匿名內部類訪問, 那么該局部變量需要使用final修飾.
枚舉
枚舉類繼承了java.lang.Enum, 而不是Object, 因此枚舉不能顯示繼承其他類; 其中Enum實現了Serializable和Comparable接口(implements Comparable, Serializable); 非抽象的枚舉類默認使用final修飾,因此枚舉類不能派生子類; 枚舉類的所有實例必須在枚舉類的第一行顯示列出(枚舉類不能通過new來創建對象); 并且這些實例默認/且只能是public static final的; 枚舉類的構造器默認/且只能是private; 枚舉類通常應該設計成不可變類, 因此建議成員變量都用private final修飾; 枚舉類不能使用abstract關鍵字將枚舉類聲明成抽象類(因為枚舉類不允許有子類), 但如果枚舉類里面有抽象方法, 或者枚舉類實現了某個接口, 則定義每個枚舉值時必須為抽象方法提供實現,
$(function () { $('pre.prettyprint code').each(function () { var lines = $(this).text().split('/n').length; var $numbering = $('').addClass('pre-numbering').hide(); $(this).addClass('has-numbering').parent().append($numbering); for (i = 1; i <= lines; i++) { $numbering.append($('').text(i)); }; $numbering.fadeIn(1700); }); });新聞熱點
疑難解答
