Java单例

1.什么是单例？

单例对象的类必须保证只有一个实例存在——这是维基百科上对单例的定义，这也可以作为对意图实现单例模式的代码进行检验的标准。
对单例的实现可以分为两大类——懒汉式和饿汉式，他们的区别在于：
懒汉式：指全局的单例实例在第一次被使用时构建。
饿汉式：指全局的单例实例在类装载时构建。
从它们的区别也能看出来，日常我们使用的较多的应该是懒汉式的单例，毕竟按需加载才能做到资源的最大化利用嘛。

2.懒汉式单例

2.1简单版本

public class Single1 {

    public static Single1 instance;

    private Single1(){}

    public static Single1 getInstance()
    {
        if(instance==null)
        {
            instance=new Single1();
        }

        return instance;
    }
}

在单线程的情况下，没有什么问题。但是如果是多线程的话，判断instance是否为空的时候，可能会创建多个实例对象，也就不再是单例了。

2.2synchronized版本
简单版本可能因为多线程而出现问题，那就加上一个同步锁，只需要再方法签名上加上synchronized关键字即可。

public class Single2 {

    public static Single2 instance;

    private Single2(){}

    public static synchronized Single2 getInstance()
    {
        if(instance==null)
        {
            instance=new Single2();
        }

        return instance;
    }
}

加上关键字之后，getInstance方法就上锁了。当第一个线程获取到同步锁之后，其余的线程都会进入等待，等第一个线程执行完毕之后，剩下的线程才会继续执行，从而避免了上一个版本出现的问题。
但是，这种写法也有一个问题：给getInstance方法加锁，虽然会避免了可能会出现的多个实例问题，但是会强制除第一个线程之外的所有线程等待，实际上会对程序的执行效率造成负面影响。

3.3双重检查版本

public class Single3 {
   private static Single3 instance;
   private Single3() {}
   public static Single3 getInstance() {
       if (instance == null) {
           synchronized (Single3.class) {
               if (instance == null) {
                   instance = new Single3();
               }
           }
       }
       return instance;
   }
}

这个版本的代码看起来有点复杂，注意其中有两次if (instance == null)的判断，这个叫做『双重检查 Double-Check』。
第一个if (instance == null)，其实是为了解决Version2中的效率问题，只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段——大大减少了几率。
第二个if (instance == null)，则是跟Version2一样，是为了防止可能出现多个实例的情况。
代码看起来已经没有什么问题，但还是有小概率是会出现问题的。想要彻底解决这个问题，则需要先了解几个概念：原子操作、指令重排。

什么是原子操作？
简单来说，原子操作（atomic）就是不可分割的操作，在计算机中，就是指不会因为线程调度被打断的操作。
比如，简单的赋值操作就是原子操作。声明变量并赋值并不是原子操作。

什么是指令重排?
简单来说，就是计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。
比如，这一段代码：

int a ; // 语句1
a = 8 ; // 语句2
int b = 9 ; // 语句3
int c = a + b ; // 语句4

正常来说，对于顺序结构，执行的顺序是自上到下，也即1234。

但是，由于指令重排的原因，因为不影响最终的结果，所以，实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。

由于语句3和4没有原子性的问题，语句3和语句4也可能会拆分成原子操作，再重排。

——也就是说，对于非原子性的操作，在不影响最终结果的情况下，其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。

OK，了解了原子操作和指令重排的概念之后，我们再继续看Version3代码的问题。
下面这段话直接从陈皓的文章(深入浅出单实例SINGLETON设计模式)中复制而来：

主要在于singleton = 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。

1. 给 singleton 分配内存
2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
3. 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 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。
   再稍微解释一下，就是说，由于有一个『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance == null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。

这里的关键在于——线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。

2.4终极版本：volatile
在instance声明时加上volatile关键字即可。

public class Single4 {
   private static volatile Single4 instance;
   private Single4() {}
   public static Single4 getInstance() {
       if (instance == null) {
           synchronized (Single4.class) {
               if (instance == null) {
                   instance = new Single4();
               }
           }
       }
       return instance;
   }
}

volatile关键字的一个作用是禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障（什么是内存屏障？），这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。
注意：volatile阻止的不singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。

3.饿汉式单例
如上所说，饿汉式单例是指：指全局的单例实例在类装载时构建的实现方式。
由于类装载的过程是由类加载器（ClassLoader）来执行的，这个过程也是由JVM来保证同步的，所以这种方式先天就有一个优势——能够免疫许多由多线程引起的问题。

3.1 饿汉式单例的实现方式
饿汉式单例的实现如下：

//饿汉式实现
public class SingleB {
   private static final SingleB INSTANCE = new SingleB();
   private SingleB() {}
   public static SingleB getInstance() {
       return INSTANCE;
   }
}

对于一个饿汉式单例的写法来说，它基本上是完美的了。

所以它的缺点也就只是饿汉式单例本身的缺点所在了——由于INSTANCE的初始化是在类加载时进行的，而类的加载是由ClassLoader来做的，所以开发者本来对于它初始化的时机就很难去准确把握：
可能由于初始化的太早，造成资源的浪费
如果初始化本身依赖于一些其他数据，那么也就很难保证其他数据会在它初始化之前准备好。
当然，如果所需的单例占用的资源很少，并且也不依赖于其他数据，那么这种实现方式也是很好的。

知识点：什么时候是类装载时？
前面提到了单例在类装载时被实例化，那究竟什么时候才是『类装载时』呢？
不严格的说，大致有这么几个条件会触发一个类被加载：

1. new一个对象时

2. 使用反射创建它的实例时

3. 子类被加载时，如果父类还没被加载，就先加载父类

4. jvm启动时执行的主类会首先被加载

5. 一些其他的实现方式
   4.1 Effective Java 1 —— 静态内部类
   《Effective Java》一书的第一版中推荐了一个中写法：

// Effective Java 第一版推荐写法
public class Singleton {
   private static class SingletonHolder {
       private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
   }
   private Singleton (){}
   public static final Singleton getInstance() {
       return SingletonHolder.INSTANCE;
   }
}

这种写法非常巧妙：

对于内部类SingletonHolder，它是一个饿汉式的单例实现，在SingletonHolder初始化的时候会由ClassLoader来保证同步，使INSTANCE是一个真·单例。
同时，由于SingletonHolder是一个内部类，只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。
——它利用了ClassLoader来保证了同步，同时又能让开发者控制类加载的时机。从内部看是一个饿汉式的单例，但是从外部看来，又的确是懒汉式的实现。

简直是神乎其技。

4.2 Effective Java 2 —— 枚举
你以为到这就算完了？不，并没有，因为厉害的大神又发现了其他的方法。

《Effective Java》的作者在这本书的第二版又推荐了另外一种方法，来直接看代码：

// Effective Java 第二版推荐写法
public enum SingleInstance {
   INSTANCE;
   public void fun1() { 
       // do something
   }
}

// 使用
SingleInstance.INSTANCE.fun1();

看到了么？这是一个枚举类型……连class都不用了，极简。

由于创建枚举实例的过程是线程安全的，所以这种写法也没有同步的问题。

作者对这个方法的评价：

这种写法在功能上与共有域方法相近，但是它更简洁，无偿地提供了序列化机制，绝对防止对此实例化，即使是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这中方法还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。
枚举单例这种方法问世一些，许多分析文章都称它是实现单例的最完美方法——写法超级简单，而且又能解决大部分的问题。

不过我个人认为这种方法虽然很优秀，但是它仍然不是完美的——比如，在需要继承的场景，它就不适用了。