三、创建型-单例（Singleton）模式

单例模式（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

某些类创建比较频繁，对一些大型的对象，这是一笔很大的开销。
省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC的压力。
有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以多个创建的话，系统完全乱了。（比如一个军队有多个司令），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制着整个流程。

单例模式的实现方式有两种，饿汉式和懒汉式，饿汉式是在类加载的时候就初始化了实例，它们的优缺点如下：

饿汉式优点： 在多线程模式下是安全的
缺点： 没有调用方法前就被加载，会占用内存
懒汉式优点：只有调用方法才创建对象，不会占用内存
缺点：在多线程模式下不安全

当然下面的例子会提供懒汉式的线、线程安全问题的解决办法，让我们一起来学习吧。

1、饿汉式单例模式实例

/**
 * 线程安全的饿汉式单利模式，虽然线程安全，但是没有调用方法前就被加载，会占用内存
 * 所以懒汉式和饿汉式都有优缺点
 * 饿汉式优点： 在多线程模式下是安全的
 * 缺点： 没有调用方法前就被加载，会占用内存
 * 懒汉式优点：只有调用方法才创建对象，不会占用内存
 * 缺点：在多线程模式下不安全（这个要解决）
 * @author suibibk.com
 */
public class FirstSingleton{
    private static FirstSingleton singleton = new FirstSingleton();
    private FirstSingleton() {
        System.out.println("创建实例成功");
    }
    public static FirstSingleton getInstance() {
        System.out.println("调用单例模式的方法");
        return singleton;
    }
    public static void main(String[] args) {
        FirstSingleton.getInstance();
    }
}

运行上面例子，会发现先打印的是：创建实例成功，后打印的是：调用单例模式的方法，表明没有调用方法前就被加载。如果我们不考虑内存占用，用这种模式是最好的，但是如果要考虑内存占用，就只能够用懒汉式啦。

2、懒汉式-简单懒汉式

/**
 * 懒汉式单例模式，第一种：这种只是简单的符合饿汉式单例模式，在高并发的情况下线程不安全
 * @author suibibk.com
 */
public class SecondSingleton{
    private static SecondSingleton singleton = null;
    private SecondSingleton() {
        System.out.println("创建实例成功");
    }
    public static SecondSingleton getInstance() {
        System.out.println("调用单例模式的方法");
        if(singleton==null) {
            singleton = new SecondSingleton();
        }
        return singleton;
    }
    public static void main(String[] args) {
        SecondSingleton.getInstance();
    }
}

运行例子会先打印：调用单例模式的方法，后打印创建实例成功，但是这种会有线程安全问题。

3、懒汉式-同步方法懒汉式

/**
 * 懒汉式单例模式，在getInstance方法上加锁，解决线程安全问题
 * synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，
 * 因为每次调用getInstance(),都要对对象上锁，事实上，
 * 只有在第一次创建对象的时候需要加上锁，之后就不需要了，所以这个地方需要改进。
 * @author suibibk.com
 *
 */
public class SecondSingleton2{
    private static SecondSingleton2 singleton = null;
    private SecondSingleton2() {
        System.out.println("创建实例成功");
    }
    public static synchronized  SecondSingleton2 getInstance() {
        System.out.println("调用单例模式的方法");
        if(singleton==null) {
            singleton = new SecondSingleton2();
        }
        return singleton;
    }
    public static void main(String[] args) {
        SecondSingleton2.getInstance();
    }
}

运行例子会先打印：调用单例模式的方法，后打印创建实例成功,因为每次调用getInstance(),都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加上锁，之后就不需要了，所以这个地方需要改进。

4、懒汉式-同步双重检验机制模式

/**
 * 懒汉式单例模式，对加锁后的改进方法1，用双重检验机制，提高效率;
 * 但是在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说singleton = new SecondSingleton3();
 * 语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，
 * 然后直接赋值给singleton成功，然后再去初始化这个SecondSingleton3实例。这样就有可能出错了
 * @author suibibk.com
 */
public class SecondSingleton3{
    private static SecondSingleton3 singleton = null;
    private SecondSingleton3() {
        System.out.println("创建实例成功");
    }
    public static  SecondSingleton3 getInstance() {
        System.out.println("调用单例模式的方法");
        if(singleton==null) {
            synchronized(SecondSingleton3.class) {
                if(singleton==null) {
                    singleton = new SecondSingleton3();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
    public static void main(String[] args) {
        SecondSingleton3.getInstance();
    }
}

运行例子会先打印：调用单例模式的方法，后打印创建实例成功,一般来说，做到上面这一步，基本上都会认为已经完美解决了问题，将synchronized关键字加在了内部也就说当调用的时候是不需要加锁的，只有在singleton为null，并创建对象的时候才需要加锁，并且用双重检查机制，性能有一定的提升。

但是，这样的情况，可能还是有问题的，看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说singleton = new SecondSingleton3();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的SecondSingleton3实例分配空间，然后直接赋值给singleton成功，然后再去初始化这个SecondSingleton3实例。这样就有可能出错了，我们以A,B两个线程为例：

A、B线程同时进入了第一个if判断;
A首先进入synchronized块，由于singleton为null,所以它执行new SecondSingleton3();
由于JVM的内部优化机制，JVM先画出了一些分配给SecondSingleton3实例的空白内存，并复赋值给singleton成员（此时，JVM并没有初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。
B进入synchronized块，由于singleton此时不是null,因此它马上离开synchronized块并将结果返回给调用程序。
此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。（此时A还在初始化对象）

所以程序还是有可能发生错误的，其实程序在运行过程很复杂，从这点我们可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们应该对程序做进一步优化。

5、懒汉式-内部类模式

/**
 *     懒汉式单例模式，懒汉式单例模式最终解决方案
 *     使用内部类来维护单例的实现，JVM内部机制能够保证一个类在被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。
 * @author suibibk.com
 */
public class SecondSingleton4{
    private SecondSingleton4() {
        System.out.println("创建实例成功");
    }
    private static class SingleFactory{
        private static SecondSingleton4 instance = new SecondSingleton4();
    }
    public static  SecondSingleton4 getInstance() {
        System.out.println("调用单例模式的方法");
        return SingleFactory.instance;
    }
    public static void main(String[] args) {
        SecondSingleton4.getInstance();
    }
}

运行例子会先打印：调用单例模式的方法，后打印创建实例成功,单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部机制能够保证一个类在被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能的问题。这样我们暂时总结了一个完美的单例模式。
其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。

总结

任何技术都要考虑到方方面面，我们这其实只需要做到双重检查哪个机制就可以了。