單例模式是一種常用的設計模式，該模式提供了一種創建對象的方法，確保在程序中一個類最多只有一個實例。
單例有什么用處？
有一些對象其實我們只需要一個，比如線程池、緩存、對話框、處理偏好設置和注冊表的對象、日志對象，充當打印機、顯示等設備的驅動程序對象。其實，這類對象只能有一個實例，如果制造出來多個實例，就會導致許多問題，如：程序的行為異常、資源使用過量，或者是不一致的結果。
Singleton通常用來代表那些本質上唯一的系統組件，比如窗口管理器或者文件系統。
在Java中實現單例模式，需要一個靜態變量、一個靜態方法和私有的構造器。
經典的單例模式實現
對於一個簡單的單例模式，可以這樣實現：
-
定義一個私有的靜態變量uniqueInstance；
-
定義私有的構造方法。這樣別處的代碼無法通過調用該類的構造函數來實例化該類的對象，只能通過該類提供的靜態方法來得到該類的唯一實例；
-
提供一個getInstance()方法，該方法中判斷是否已經存在該類的實例，如果存在直接返回，不存在則新建一個再返回。代碼如下：
public class Singleton{
private static Singleton uniqueInstance;//私有靜態變量
//私有的構造器。這樣別處的代碼無法通過調用該類的構造函數來實例化該類的對象，只能通過該類提供的靜態方法來得到該類的唯一實例。
private Singleton(){}
//靜態方法
public static Singleton getInstance(){
//如果不存在，利用私有構造器產生一個Singleton實例並賦值到uniqueInstance靜態變量中。
//如果我們不需要這個實例，他就永遠不會產生。這叫做“延遲實例化（懶加載）“
if(uniqueInstance == null){
uniqueInstance = new Singleton();
}
return uniqueInstance;
}
}
這段代碼使用了延遲實例化，在單線程中沒有任何問題。但是在多線程環境下，當有多個線程並行調用 getInstance()，都認為uniqueInstance為null的時候，就會調用uniqueInstance = new Singleton();，這樣就會創建多個Singleton實例，無法保證單例。
解決多線程環境下的線程安全問題，主要有以下幾種寫法：
同步getInstance()方法
關鍵字synchronized可以保證在他同一時刻，只有一個線程可以執行某一個方法，或者某一個代碼塊。
同步getInstance()方法是處理多線程最直接的做法。只要把getInstance()變成同步（synchronized）方法，就可以解決並發問題了。
public class Singleton{
private static Singleton uniqueInstance;//私有靜態變量
//私有構造器
private Singleton() {}
//synchronized同步方法
public static synchronized Singleton getInstance(){
if(uniqueInstance == null){
uniqueInstance = new Singleton();
}
return uniqueInstance;
}
}
但是，同步的效率低，會降低性能。只有第一次執行此方法的時候，才真正需要同步。也就是說，一旦設置好uniqueInstance變量，就不再需要同步這個方法了。之后每次調用這個方法，同步都是一種累贅。同步getInstance()方法既簡單又有效。如果說對性能要求不高，這樣就可以滿足要求。
“急切”實例化
之前的實現采用的是懶加載方式，也就是說，當真正用到的時候才會創建；如果沒被使用到，就一直不會創建。
懶加載方式在第一次使用的時候， 需要進行初始化操作，可能會比較耗時。
如果確定一個對象一定會使用的話，可以采用“急切”地實例化，事先准備好這個對象，需要的時候直接使用就行了。這種方式也叫做餓漢模式。具體代碼：
public class Singleton{
//在靜態初始化器中創建單例，保證了線程安全性
private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance(){
return uniqueInstance;
}
}
餓漢模式是如何保證線程安全的？
餓漢模式中的靜態變量是隨着類加載時被初始化的。static關鍵字保證了該變量是類級別的，也就是說這個類被加載的時候被初始化一次。注意與對象級別和方法級別進行區分。
因為類的初始化是由類加載器完成的，這其實是利用了類加載器的線程安全機制。類加載器的loadClass方法在加載類的時候使用了synchronized關鍵字。也正是因為這樣， 除非被重寫，這個方法默認在整個裝載過程中都是同步的（線程安全的）。
雙重檢查加鎖
殺雞用牛刀。實現單例模式可以利用雙重檢查加鎖（double-checked locking），首先檢查是否實例已經創建了，如果尚未創建，“才”進行同步。這樣，只有第一次會同步。
public class Singleton{
//使用volatile關鍵字，確保當uniqueInstance變量被初始化成為Singleton實例時，多線程可以正確地處理uniqueInstance變量。
private volatile static Singleton uniqueInstance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if(uniqueInstance == null){//第一次檢查
synchronized(Singleton.class){
if(uniqueInstance == null){//第二次檢查
uniqueInstance = new Singleton();
}
}
}
return uniqueInstance;
}
}
如果性能是關注的重點，雙重檢查加鎖可以大幅減少getInstance()的時間消耗成本。
在Java 1.5發行版本之前，雙重檢查模式的功能很不穩定，因為volatile修飾符的語義不夠強，難以支持它。Java 1.5發行版本中引入的內存模式解決了這個問題，如今，雙重檢查模式是延遲初始化的一個實例域的方法。
為什么要進行雙重檢查？只檢查一次不行嗎？
解答：只檢查一次不行。只檢查一次的代碼如下：
if(uniqueInstance == null){//第一次檢查
synchronized(Singleton.class){
uniqueInstance = new Singleton();
}
}
當兩個線程同時判斷uniqueInstance == null的時候，都會去獲得Singleton.class的鎖對象，由於兩個線程擁有的鎖對象是同一個Singleton.class，兩個線程先后執行，也就是兩個線程都會進入同步代碼塊創建一個新的對象，造成返回的uniqueInstance 並不是唯一的，這樣也就不符合單例模式了。
最佳方法
從Java 1.5發行版本起，實現Singleton只需要編寫一個包含單個元素的枚舉類型：
public enum Singleton {
INSTANCE;
}
使用枚舉實現單例的方法雖然還沒有廣泛采用，但是單元素的枚舉類型已經成為實現Singleton的最佳方法。注意：如果Singleton必須拓展一個超類，而不是擴展Enum的時候，則不宜使用這個方法。
參考
- Eric Freeman；ElElisabeth Freeman.HeadFirst設計模式[M]. 北京:中國電力出版社, 2007.
- Joshua Bloch.Effective Java中文版（原書第3版）[M]. 北京:機械工業出版社, 2018.
- 漫話：如何給女朋友解釋什么是單例模式？