01 背景

    以我们常用办公软件WPS为例，我们使用的时候期望点击一次工具栏弹出一个对话框，再次点击的时候仍然是当前对话框，而不是出现多个对话框。反映到编程中，其实就是对话框只被实例化一次，这就是单例模式的一个应用场景。

02 概述

    单例模式(Singleton Pattern)：单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。

    根据定义可知单例模式的要点有三个：

    1、某个类只能有一个实例；

    2、它必须自行创建这个实例；

    3、它必须自行向整个系统提供这个实例。

    单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。

03 实现

3.1 饿汉式

    饿汉法就是在第一次引用该类的时候就创建对象实例，而不管实际是否需要创建。一上来就先实例化，但若类没有使用的话，就有点浪费资源类。

    优点：这样做的好处是编写简单，无需关注线程安全问题。

    缺点：

    1、会生产出过多的实例对象，无论你是否要使用他们。

    2、无法做到延迟创建对象，但是我们很多时候都希望对象可以尽可能地延迟加载，从而减小负载，所以需要懒汉法。

3.2 懒汉式

    饿汉式（又称饱汉模式），很饱不着急，延迟加载，啥时候用啥时候创建实例，存在线程安全问题。

    实例在开始时为空，第一次加载后才实例化。可节约一些资源，但在并发时有可能出现多个单例。

    优点：延时加载，用的时候才会生产对象。

    缺点：存在线程安全问题，需要保证同步，付出效率的代价。

    1、单线程实现

    这种写法是最简单的，由私有构造器和一个公有静态工厂方法构成，在工厂方法中对singleton进行null判断，如果是null就new一个出来，最后返回singleton对象。

    优点：延迟加载，资源利用率高，不执行getInstance()就不会被实例化，可以执行该类的其他静态方法。

    缺点：第一次加载时不够快，线程不安全，多线程使用不必要的同步开销大。

    2、多线程实现

    1）直接加锁

    优点：线程安全。

    缺点：代价太高（整个判空和申请阶段全部都加锁，一劳永逸，但是效率低，锁范围太大）。

    2）双检查锁

    双重锁模式，是饱汉模式的优化，进行双重判断，当已经创建过实例对象后就无需加锁，提高效率。也是一种推荐使用的方式。

    只有对象为空的时候才加锁，加完锁后再判空，防止在加锁的过程中被另一个线程调用new，即进行双检查：第一次检查是避免代价过高的问题，第二次检查是防止多线程问题。

    注：可以看出来与直接加锁相比，锁的范围缩小了，效率得以提升，同时通过在申请实例前加锁保证线程安全。

    优点：比直接加锁效率高。

    缺点：内存读写reorder不安全。

    reorder问题：一般new的执行过程认为是分配内存->构造函数初始化->返回地址，但是实际上可能是分配内存->返回地址->构造函数这种错乱的顺序。如果线程1reorder，另外一个线程2判断非空直接返回pSingleton，但是这个对象实例是无法正常使用的，它只是一个还未调用构造函数初始化的内存。

    所以编译器需要解决这类问题，即编译器不能优化。

    3）volatile

    volatile这个关键字有两层语义：

    第一层语义是可见性。可见性指的是在一个线程中对该变量的修改会马上由工作内存（Work Memory）写回主内存（Main Memory），所以会马上反应在其它线程的读取操作中，即看到的都是最新的结果。

    第二层语义是禁止指令重排序优化。我们写的代码（尤其是多线程代码），由于编译器优化，在实际执行的时候可能与我们编写的顺序不同。

3.3 静态内部类

    有没有一种延时加载，并且能保证线程安全的简单写法呢？我们可以把Singleton实例放到一个静态内部类中，这样就避免了静态实例在Singleton类加载的时候就创建对象，并且由于静态内部类只会被加载一次，所以这种写法也是线程安全的：

3.4 选择

    一般采用饿汉式，若对资源十分在意可以采用静态内部类，不建议采用懒汉式及双重检测。

04 特点

4.1 优点

    1、提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它。

    2、只存在一个对象，节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能。

4.2 缺点

    1、由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。

    2、单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。

    3、滥用单例将带来一些负面问题。现在很多面向对象语言(如Java)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致对象状态的丢失。

05 应用场景

    在以下情况下可以使用单例模式：

    1、系统只需要一个实例对象（线程池、缓存、硬件设备等），或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。

    2、客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。

    3、一个具有自动编号主键的表可以有多个用户同时使用，但数据库中只能有一个地方分配下一个主键编号，否则会出现主键重复，因此该主键编号生成器必须具备唯一性，可以通过单例模式来实现。