人生在世，誰不面試。單例模式：一個搞懂不加分，不搞懂減分的知識點
又一篇一抓一大把的博文，可是你真的的搞懂了嗎？點開看看。。事后，你也來一篇。
單例模式是面試中非常喜歡問的了，我們往往自認為已經完全理解了，沒什么問題了。但要把它手寫出來的時候，可能出現各種小錯誤，下面是我總結的快速準確的寫出單例模式的方法。
單例模式有各種寫法，什么「雙重檢鎖法」、什么「餓漢式」、什么「飽漢式」，總是記不住、分不清。這就對了，人的記憶力是有限的，我們應該記的是最基本的單例模式怎么寫。
單例模式：一個類有且只能有一個對象（實例）。單例模式的 3 個要點：
- 外部不能通過 new 關鍵字（構造函數）的方式新建實例，所以構造函數為私有：
private Singleton(){} - 只能通過類方法獲取實例，所以獲取實例的方法為公有、且為靜態：
public static Singleton getInstance() - 實例只能有一個，那只能作為類變量的「數據」，類變量為靜態 （另一種記憶：靜態方法只能使用靜態變量）：
private static Singleton instance
一、最基礎、最簡單的寫法
類加載的時候就新建實例
public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
public void show(){
System.out.println("Singleon using static initialization in Java");
}
}
// Here is how to access this Singleton class
Singleton.getInstance().show();
當執行 Singleton.getInstance() 時，類加載器加載 Singleton.class 進虛擬機，虛擬機在方法區（元數據區）為類變量分配一塊內存，并賦值為空。再執行 <client>() 方法，新建實例指向類變量 instance。這個過程在類加載階段執行，并由虛擬機保證線程安全。所以執行 getInstance() 前，實例就已經存在，所以 getInstance() 是線程安全的。
很多博文說 instance 還需要聲明為 final，其實不用。final 的作用在于不可變，使引用 instance 不能指向另一個實例，這里用不上。當然，加上也沒問題。
這個寫法有一個不足之處，就是如果需要通過參數設置實例，則無法做到。舉個栗子：
class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {
}
// 不能設置 name！
public static Singleton getInstance(String name) {
return instance;
}
public void show(){
System.out.println("Singleon using static initialization in Java");
}
}
// Here is how to access this Singleton class
Singleton.getInstance(String name).show();
二、可通過參數設置實例的寫法
考慮到這種情況，就在調用 getInstance() 方法時，再新建實例。
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private String name;
private Singleton(String name) {
this.name = name;
}
public static synchronized Singleton getInstance(String name) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton(name);
}
return instance;
}
public String show() {
return name;
}
}
Singleton.getInstance(String name).show();
這里加了 synchronized 關鍵字，能保證只會生成一個實例，但效率不高。因為實例創建成功后，再獲取實例時就不用加鎖了。
當不加 synchronized 時，會發生什么：
instance 是類的變量，類存放在方法區（元數據區），元數據區線程共享，所以類變量 instance 線程共享，類變量也是在主內存中。線程執行 getInstance() 時，在自己工作內存新建一個棧幀，將主內存的 instance 拷貝到工作內存。多個線程并發訪問時，都認為 instance == null，就將新建多個實例，那單例模式就不是單例模式了。
三、改良版加鎖的寫法
實現只在創建的時候加鎖，獲取時不加鎖。
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;
}
}
為什么要判斷兩次：
多個線程將 instance 拷貝進工作內存，即多個線程讀取到 instance == null，雖然每次只有一個線程進入 synchronized 方法，當進入線程成功新建了實例，synchronized 保證了可見性（在 unlock 操作前將變量寫回了主內存），此時 instance 不等于 null 了，但其他線程已經執行到 synchronized 這里了，某個線程就又會進入 synchronized 方法，如果不判斷一次，又會再次新建一個實例。
為什么要用 volatile 修飾 instance：
synchronized 可以實現原子性、可見性、有序性。其中實現原子性：一次只有一個線程執行同步塊的代碼。但計算機為了提升運行效率，會指令重排序。
代碼 instance = new Singleton(); 會被拆為 3 步執行。
- A：分配一塊內存空間
- B：在內存空間位置新建一個實例
- C：將引用指向實例，即，引用存放實例的內存空間地址
如果 instance 都在 synchronized 里面，那么沒啥問題，問題出現在 instance 在 synchronized 外邊，因為此時外邊一群餓狼（線程），就在等待一個 instance 這塊肉不為 null。
模擬一下指令重排序的出錯場景：多線程環境下，正好一個線程，在同步塊中按 ACB 執行，執行到 AC 時（并將 instance 寫回了主內存），另一個線程執行第一個判斷時，認為 instance 不為空，返回 instance，但此時 instance 還沒被正確初始化，所以出錯。
當 instance 被 volatile 修飾時，只有 ACB 執行完了之后，其他線程才能讀取 instance
為什么 volatile 能禁止指令重排序：它在 ACB 后添加一個 lock 指令，lock 指令之前的操作執行完成后，后面的操作才能執行
你可能認為上面的解釋太復雜，不好理解。對，確實比較復雜，我也搞了很久才搞明白。你可以看看這個是不是更好理解，Java 虛擬機規范的其中一條先行發生原則：對 volatile 修飾的變量，讀操作，必須等寫操作完成。
四、其他非主流寫法
枚舉寫法：
public enum EasySingleton{
INSTANCE;
}
當面試官讓我寫一個單例模式，我總是覺得寫這個好像有點另類
靜態內部類寫法：
public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
五、小結
單例模式主要為了節省內存開銷，Spring 容器的 Bean 就是通過單例模式創建出來的。
單例模式沒寫出來，那也沒啥事，因為那下一個問題你也不一定能答出來 :)。
六、延伸閱讀
- 如何正確寫出單例模式
- How to create thread safe Singleton in Java
- Why Enum Singleton are better in Java
- On design patterns: When should I use the singleton?
本文由博客一文多發平臺 OpenWrite 發布！
