Java单例模式的最佳实现-单元素枚举实现单例

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是Java中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
Singleton指仅仅被实例化一次的类，Singleton通常被用来代表那些本质上唯一的系统组件，比如窗口管理器或文件系统。使类成为Singleton会使得对它的测试变得十分困难，因为无法给Singleton替换模拟实现，除非它实现一个充当其类型的接口。

单例模式作用及优缺点

作用

单例模式的意图是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。这样能解决一个被全局使用的类频繁地创建与销毁的问题，从而节省系统资源。

优点

1.在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理平台首页页面缓存）。
2.避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点

1.没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。
2.一般单例类的模拟实现比较困难，会使得对它的测试变得十分困难。

使用场景及注意事项

场景

1.要求生产唯一序列号。
2.WEB中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
3.创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O。
4.数据库的连接等。

注意事项

1.getInstance()方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成instance被多次实例化。而单元素枚举实现单例的方法，可以避免序列化，和反射攻击导致的多次实例化的可能。这也是单元素枚举实现单例方法被视为单例实现的最佳方法的重要原因。

实现方法

1.单元素枚举实现单例

直接上代码

import java.util.stream.IntStream;
import java.util.stream.Stream;

public class SingletonElvisDemo {
    public static void main(final String[] args) {
        final Thread[] threads = new Thread[50];
        startThreads(threads);
        joinThreads(threads);
    }

    private static void startThreads(final Thread[] threads) {
        IntStream.range(0, threads.length).forEach(i -> {
            threads[i] = createThread();
            threads[i].start();
        });
    }

    private static Thread createThread() {
        final Thread thread = new Thread(() -> {
            System.out.println("Got a singleton instance: " + Elvis.INSTANCE);
        });

        return thread;
    }

    private static void joinThreads(final Thread[] threads) {
        Stream.of(threads).forEach(thread -> {
            join(thread);
        });
    }

    private static void join(final Thread thread) {
        try {
            thread.join();
        } catch (final InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public enum Elvis {
    INSTANCE;
    
    public void sing() {
        System.out.println("Singleton Elvis using enum: I am signing!");
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return this.getClass().getSimpleName() + "@" + hashCode();
    }
}

在上述单元素枚举实现单例的例子中，在功能上与下面会介绍到的实现方式相同。但它更加简洁，无偿的提供了序列化机制，绝对防止多次实例化，即使是在复杂的序列化或者反射攻击的时候。反射攻击是指：单例的调用者借助AccessibleObejct.setAccessible方法，通过反射机制调用私有构造器。

2.懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：否
实现难度：易
描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

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

3.懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

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

4.饿汉式

是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

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

5.登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：一般
描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

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

经验之谈：一般情况下，不建议使用第2种和第3种懒汉方式，建议使用第4种饿汉方式。只有在要明确实现lazy loading效果时，才会使用第5种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第1种枚举方式。