什么是单例？为什么要用单例？
一个类被设计出来，就代表它表示具有某种行为（方法），属性（成员变量），而一般情况下，当我们想使用这个类时，会使用new关键字，这时候jvm会帮我们构造一个该类的实例。而我们知道，对于new这个关键字以及该实例，相对而言是比较耗费资源的。所以如果我们能够想办法在jvm启动时就new好，或者在某一次实例new好以后，以后不再需要这样的动作，就能够节省很多资源了。
哪些类可以使用单例？
一般而言，我们总是希望无状态的类能够设计成单例，那这个无状态代表什么呢？ 简单而言，对于同一个实例，如果多个线程同时使用，并且不使用额外的线程同步手段，不会出现线程同步的问题，我们就可以认为是无状态的，再简单点：一个类没有成员变量，或者它的成员变量也是无状态的，我们就可以考虑设计成单例。
实现方法
好了，我们已经知道什么是单例，为什么要使用单例了，那我们接下来继续讨论下怎么实现单例。
一般来说，我们可以把单例分为行为上的单例和管理上的单例。行为上的单例代表不管如何操作（此处不谈cloneable，反射），至始至终jvm中都只有一个类的实例，而管理上的单例则可以理解为：不管谁去使用这个类，都要守一定的规矩，比方说，我们使用某个类，只能从指定的地方’去拿‘，这样拿到就是同一个类了。
而对于管理上的单例，相信大家最为熟悉的就是spring了，spring将所有的类放到一个容器中，以后使用该类都从该容器去取，这样就保证了单例。
所以这里我们剩下的就是接着来谈谈如何实现行为上的单例了。一般来说，这种单例实现有两种思路，私有构造器，枚举。
枚举实现单例
枚举实现单例是最为推荐的一种方法，因为就算通过序列化，反射等也没办法破坏单例性，例子：
public enum SingletonEnum {
INSTANCE;
public static void main(String[] args) {
System.out.println(SingletonEnum.INSTANCE == SingletonEnum.INSTANCE);
}
}
结果自然是true，而如果我们尝试使用反射破坏单例性：
public enum BadSingletonEnum {
/**
*
*/
INSTANCE;
public static void main(String[] args) throws Exception{
System.out.println(BadSingletonEnum.INSTANCE == BadSingletonEnum.INSTANCE);
Constructor<BadSingletonEnum> badSingletonEnumConstructor = BadSingletonEnum.class.getDeclaredConstructor();
badSingletonEnumConstructor.setAccessible(true);
BadSingletonEnum badSingletonEnum = badSingletonEnumConstructor.newInstance();
System.out.println(BadSingletonEnum.INSTANCE == badSingletonEnum);
}
}
结果如下：
Exception in thread "main" java.lang.NoSuchMethodException: cn.jsbintask.BadSingletonEnum.<init>()
at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:3082)
at java.lang.Class.getDeclaredConstructor(Class.java:2178)
at cn.jsbintask.BadSingletonEnum.main(BadSingletonEnum.java:18)
异常居然是没有init方法，这是为什么呢？ 那我们反编译查看下这个枚举类的字节码：
// class version 52.0 (52)
// access flags 0x4031
// signature Ljava/lang/Enum<Lcn/jsbintask/BadSingletonEnum;>;
// declaration: cn/jsbintask/BadSingletonEnum extends java.lang.Enum<cn.jsbintask.BadSingletonEnum>
public final enum cn/jsbintask/BadSingletonEnum extends java/lang/Enum {
// compiled from: BadSingletonEnum.java
// access flags 0x4019
public final static enum Lcn/jsbintask/BadSingletonEnum; INSTANCE
// access flags 0x101A
private final static synthetic [Lcn/jsbintask/BadSingletonEnum; $VALUES
}
结果发现这个枚举类继承了抽象类java.lang.Enum，我们接着看下Enum，发现构造器：
/**
* Sole constructor. Programmers cannot invoke this constructor.
* It is for use by code emitted by the compiler in response to
* enum type declarations.
*
* @param name - The name of this enum constant, which is the identifier
* used to declare it.
* @param ordinal - The ordinal of this enumeration constant (its position
* in the enum declaration, where the initial constant is assigned
* an ordinal of zero).
*/
protected Enum(String name, int ordinal) {
this.name = name;
this.ordinal = ordinal;
}
那我们接着改变代码，反射调用这个构造器：
public enum BadSingletonEnum {
/**
*
*/
INSTANCE();
public static void main(String[] args) throws Exception{
System.out.println(BadSingletonEnum.INSTANCE == BadSingletonEnum.INSTANCE);
Constructor<BadSingletonEnum> badSingletonEnumConstructor = BadSingletonEnum.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
badSingletonEnumConstructor.setAccessible(true);
BadSingletonEnum badSingletonEnum = badSingletonEnumConstructor.newInstance("test", 0);
System.out.println(BadSingletonEnum.INSTANCE == badSingletonEnum);
}
}
结果如下：
Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417)
at cn.jsbintask.BadSingletonEnum.main(BadSingletonEnum.java:21)
这次虽然方法找到了，但是直接给我们了一句Cannot reflectively create enum objects，不能够反射创造枚举对象，接着我们继续看下newInstance（...）这个方法：
public T newInstance(Object ... initargs)
throws InstantiationException, IllegalAccessException,
IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{
if (!override) {
if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
checkAccess(caller, clazz, null, modifiers);
}
}
if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
ConstructorAccessor ca = constructorAccessor; // read volatile
if (ca == null) {
ca = acquireConstructorAccessor();
}
@SuppressWarnings("unchecked")
T inst = (T) ca.newInstance(initargs);
return inst;
}
关键代码就是：if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0) throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");，所以就是jdk从根本上拒绝了使用反射去创建（知道为啥java推荐使用enum实现单例了吧），另外，我们再观察下Enum类的clone和序列化方法，如下：
protected final Object clone() throws CloneNotSupportedException {
throw new CloneNotSupportedException();
}
private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException,
ClassNotFoundException {
throw new InvalidObjectException("can't deserialize enum");
}
private void readObjectNoData() throws ObjectStreamException {
throw new InvalidObjectException("can't deserialize enum");
}
一眼看出，直接丢出异常，不允许这么做！（真亲儿子系列）。
所以，结论就是：枚举是最靠谱的实现单例的方式！
私有构造器
另外一个实现单例最普通的方法则是私有构造器，开放获取实例公共方法，虽然这种方法还是可以用clone，序列化，反射破坏单例性（除非特殊情况，我们不会这么做），但是却是最容易理解使用的。而这种方式又分了饱汉式，饿汉式。
饿汉式
看名字就知道，饥渴！（咳咳，开个玩笑），它指的是当一个类被jvm加载的时候就会被实例化，这样可以从根本上解决多个线程的同步问题，例子如下：
public class FullSingleton {
private static FullSingleton ourInstance = new FullSingleton();
public static FullSingleton getInstance() {
return ourInstance;
}
private FullSingleton() {
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(FullSingleton.getInstance() == FullSingleton.getInstance());
}
}
结果自然是true，虽然这种做法很方便的帮我们解决了多线程实例化的问题，但是缺点也很明显，因为这句代码private static FullSingleton ourInstance = new FullSingleton();的关系，所以该类一旦被jvm加载就会马上实例化，那如果我们不想用这个类怎么办呢？ 是不是就浪费了呢？既然这样，我们来看下替代方案！ 饱汉式。
饱汉式
既然是饱，就代表它不着急，那我们可以这么写：
public class HungryUnsafeSingleton {
private static HungryUnsafeSingleton instance;
public static HungryUnsafeSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new HungryUnsafeSingleton();
}
return instance;
}
private HungryUnsafeSingleton() {}
}
用意很容易理解，就是用到getInstance（）方法才去检查instance，如果为null，就new一个，这样就不怕浪费了，但是这个时候问题就来了：现在有这么一种情况，在有两个线程同时 运行到了 instane == null这个语句，并且都通过了，那他们就会都实例化一个对象，这样就又不是单例了。既然这样，哪有什么解决办法呢？ 锁方法
- 直接同步方法
这种方法比较干脆利落，那就是直接在getInstance（）方法上加锁，这样就解决了线程问题：
public class HungrySafeSingleton {
private static HungrySafeSingleton instance;
public static synchronized HungrySafeSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new HungrySafeSingleton();
}
return instance;
}
private HungrySafeSingleton() {
System.out.println("HungryUnsafeSingleton.HungryUnsafeSingleton");
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(HungrySafeSingleton.getInstance() == HungrySafeSingleton.getInstance());
}
}
很简单，很容易理解，加锁，只有一个线程能实例该对象。但是，此时问题又来了，我们知道对于静态方法而言，synchronized关键字会锁住整个 Class，这时候又会有性能问题了（尼玛墨迹），那有没有优化的办法呢？ 双重检查锁：
public class HungrySafeSingleton {
private static volatile HungrySafeSingleton instance;
public static HungrySafeSingleton getInstance() {
/* 使用一个本地变量可以提高性能 */
HungrySafeSingleton result = instance;
if (result == null) {
synchronized (HungrySafeSingleton.class) {
result = instance;
if (result == null) {
instance = result = new HungrySafeSingleton();
}
}
}
return result;
}
private HungrySafeSingleton() {
System.out.println("HungryUnsafeSingleton.HungryUnsafeSingleton");
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(HungrySafeSingleton.getInstance() == HungrySafeSingleton.getInstance());
}
}
用意也很明显，synchronized关键字只加在了关键的地方，并且通过本地变量提高了性能（effective java），这样线程安全并且不浪费资源的单例就完成了。
总结
本章，我们一步一步从什么是单例，到为什么要使用单例，再到怎么使用单例，并且从源码角度分析了为什么枚举是最适合的实现方式，然后接着讲解了饱汉式，饿汉式的写法以及好处，缺点。
例子源码：https://github.com/jsbintask22/design-pattern-learning.git
本文原创地址：https://jsbintask.cn/2019/01/29/designpattern/singleton/，转载请注明出处。
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