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设计模式——单例模式（饿汉式，懒汉式等）

概念

单例模式（Singleton Pattern） 是一种创建型设计模式，它的目的是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例

核心要点

唯一性
类只有一个实例，避免重复创建多个对象导致资源浪费或状态不一致。
全局访问点
提供一个全局方法，方便访问唯一实例。

实现

基础要点

根据单例模式的特点，要求实现单例模式必须要构造器私有化，防止外界创建对象

饿汉式

顾名思义，该方式就是直接在类加载时就初始化单例实例

示例代码如下：

public class Singleton {
    // 静态变量在类加载时初始化
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // 私有化构造器，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 提供全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

优点：实现简单，线程安全。
缺点：即使未使用该实例，也会初始化，占用内存。

懒汉式

也是顾名思义，就是“懒”，即在类加载时并不会立即创建实例，而是在外界需要时才会创建实例

示例代码如下：

public class Singleton {
    // 静态变量，延迟初始化
    private static Singleton instance;

    // 私有化构造器
    private Singleton() {}

    // 提供全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优点：按需创建，节省资源。
缺点：在多线程环境下存在安全问题（多个线程可能同时创建实例）

懒汉式（线程安全，双重检查锁定）

由于在高并发情况下，一般的懒汉式方案可能会出现线程安全问题，所以需要对其进行改造

改造后如下：

public class Singleton {
    // 使用 volatile 确保可见性和禁止指令重排序
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

优点：线程安全，性能较高
缺点：实现复杂

这里补充一下 volatile 关键字：

volatile 是 Java 提供的一个关键字，用于修饰变量，确保变量在多线程环境中的可见性和禁止指令重排序。这些特性是为了解决并发编程中的常见问题，如线程间数据不一致和由于优化导致的潜在问题。

可见性

在多线程环境中，每个线程都有自己的工作内存（CPU 缓存），线程可能会将变量的副本缓存在自己的工作内存中，导致一个线程对变量的修改对另一个线程不可见。而使用volatile 修饰的变量，所有线程对其的读写操作直接发生在主内存中。当一个线程修改了 volatile 变量的值，其他线程能够立即看到最新值。

禁止指令重排序

为了优化性能，CPU 和编译器可能会对指令进行重排序（Instruction Reordering）。在单线程环境下，这种重排序不会改变程序的执行结果，但在多线程环境下，可能导致意想不到的问题，所以也得注意一下。volatile 通过加入内存屏障（Memory Barrier），确保指令在多线程环境中按程序的逻辑顺序执行。它可以防止变量的赋值操作被重排序到不合适的位置。
这里举一个例子：
示例代码：

class Singleton {
    private static Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {                   // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {           // 第二次检查
                    instance = new Singleton();   // 问题出在这里
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这里看到 instance 没有被 volatile修饰，那么就可能会出现问题：

instance = new Singleton() 是一个分解过程，可能会被重排序成以下步骤：

分配内存空间。
将内存地址赋值给 instance。
调用构造函数初始化对象。

如果发生了重排序，步骤可能变成：

先执行第 2 步，再执行第 3 步。

此时，另一个线程读取 instance 时，可能得到一个“未初始化完全”的对象。

静态内部类实现

利用类加载机制实现线程安全，推荐使用

public class Singleton {
    // 静态内部类
    private static class Holder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    private Singleton() {}

    // 通过静态内部类返回实例
    public static Singleton getInstance() {
        return Holder.INSTANCE;
    }
}

优点：

线程安全
延迟加载
实现简单

简单解读一下：

在外部类加载时，并不会主动加载内部类，而只有当外界主动使用内部类时，内部类才会被类加载器加载。借助这一特性可以实现延迟加载。并且，当类加载加载内部类时，由 JVM 保证线程的安全性，这样可以实现线程安全。总的来看，操作还是十分简单的。

使用枚举实现

使用 枚举（Enum） 是单例模式的一种推荐实现方式，尤其在 Java 环境中。枚举不仅能实现线程安全的单例，还能天然防止反射攻击和序列化漏洞，是最简洁且安全的单例实现方式。

示例代码：

public enum Singleton {
    INSTANCE; // 枚举类型的唯一实例

    // 示例方法
    public void doSomething() {
        System.out.println("Executing some logic in Singleton");
    }
}

优点：

简洁
天然线程安全
防止反射和序列化攻击

简单解读一下：

在 Java 中，每个枚举类型都是通过 java.lang.Enum 类实现的。枚举类的实例化是由 JVM 保证的，并且其类加载机制确保了线程安全性。每个枚举常量（如 INSTANCE）在类加载时就会被初始化（饿汉式），且只会初始化一次。
通过反射可以破坏普通单例模式，调用私有构造器来创建新的实例。但枚举类型的构造器在 Java 中是隐式的，JVM 不允许通过反射调用枚举类型的构造器，因此无法创建多个实例。
普通单例在序列化和反序列化时可能生成多个实例（通过 ObjectInputStream）。枚举类型的序列化由 JVM 自动处理，枚举单例在序列化时只会返回相同的枚举实例。

总结

多种实现方案的比较如下：

设计模式——单例模式（饿汉式，懒汉式等）