单例模式的设计与实现

单例模式可能是我们在开发中用得最多的设计模式之一，但要在多线程环境下正确实现单例模式却不是那么简单。今天我们就来看看如何正确地实现线程安全的单例模式。

一、不安全的单例模式

在单线程环境下，实现单例模式很简单，但在多线程环境下就不安全了，可能会出现多个线程同时创建实例的情况，这就违背了单例模式的初衷。

// 这种实现在多线程环境下是不安全的
public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton () {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 如果多个线程同时执行到这里，就可能创建多个实例
            instance = new Singleton ();
        }
        return instance;
    }
}

如果线程A和线程B同时调用getInstance方法，都发现instance为null，那么它们可能会同时创建实例，这就破坏了单例的约束。

二、线程安全的单例模式

1. 同步方法

最直接的解决方案就是给getInstance方法加上synchronized关键字：

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

这种方式确实能保证线程安全，但是有个明显的性能问题：每次调用getInstance都需要获取锁，即使实例已经创建好了。在高并发场景下，这会成为一个性能瓶颈。

2. 静态内部类

public class StaticInnerClassSingleton {
    
    private StaticInnerClassSingleton() {}
    
    private static class SingletonHolder {
        private static final StaticInnerClassSingleton INSTANCE = new StaticInnerClassSingleton();
    }
    
    public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

这种实现利用了JVM的类加载机制来保证线程安全。静态内部类SingletonHolder只有在被引用时才会被加载，而类的加载过程是线程安全的，JVM会保证一个类只被加载一次。
但是普通的单例实现可能会被反射攻击破坏：

// 反射攻击示例
Constructor<StaticInnerClassSingleton> constructor = 
    StaticInnerClassSingleton.class.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
StaticInnerClassSingleton instance1 = constructor.newInstance();
StaticInnerClassSingleton instance2 = StaticInnerClassSingleton.getInstance();
// instance1 和 instance2 是不同的对象

3. 枚举：最安全的实现方式

在《Effective Java》中推荐了使用枚举来实现单例模式：

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    
    public void doSomething() {
        // 业务方法
    }
}

// 使用方式
EnumSingleton.INSTANCE.doSomething();

枚举实现单例有几个独特的优势：

1. 枚举的实例创建是线程安全的，JVM会保证枚举实例只被创建一次。

2. 但是枚举天然防止反射攻击，因为JVM不允许通过反射创建枚举实例。