【设计模式】单例模式（创建型）⭐⭐⭐

1.概念

1.1 什么是单例模式

单例模式属于创建型模式，一个单例类在任何情况下都只存在一个实例，
构造方法必须是私有的、由自己创建一个静态变量存储实例，对外提供一
个静态公有方法获取实例。

1.2 优点与缺点

优点:是内存中只有一个实例，减少了开销，尤其是频繁创建和销毁实例的情况下，可以避免对资源的多重占用。
缺点:没有抽象层，难以扩展，与单一职责原则冲突（单例模式由于其全局访问的特性，往往会使得类的使用变得非常广泛，这会导致类的职责膨胀，变得越来越难以维护。）。

2.实现方式

2.1 懒汉式

懒加载（lazy loading）：使用的时候再创建对象。

2.1.1 懒汉式（线程不安全）

在第一次调用获取实例的方法时才创建实例。由于没有同步措施，因此线程不安全。

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

2.1.2 懒汉式（线程安全）

在懒汉式的基础上，通过同步代码块或方法来确保线程安全，但会降低性能。

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

2.2 饿汉式

类加载时就创建好实例，避免了线程同步问题，但可能会导致资源浪费。

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

2.3 双重检查锁定（Double-Checked Locking）

结合懒汉式和线程安全的特点，在获取实例时进行双重检查，以提高性能。

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;}
}

volatile关键字的作用是确保instance变量的可见性和防止指令重排序。

2.4 静态内部类

利用Java的类加载机制来实现懒加载和线程安全。

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

在这个示例中，SingletonHolder是一个静态内部类，它包含了一个静态的Singleton实例。SingletonHolder类只有在getInstance()方法被调用时才会被加载，这保证了Singleton实例的延迟加载。同时，由于类的加载过程是线程安全的，所以这种方式也保证了单例的线程安全。

2.5 枚举

使用枚举来实现单例模式，这是最简单的实现方式，并且天生线程安全，防止多次实例化。

public enum Singleton {INSTANCE1,INSTANCE2;public void someMethod() {// 功能处理System.out.println("执行一些功能处理");}
}

public class Main {public static void main(String[] args) {// 调用第一个枚举实例的方法Singleton.INSTANCE1.someMethod();// 调用第二个枚举实例的方法Singleton.INSTANCE2.someMethod();}
}

枚举天生线程安全的原因在于Java枚举的设计和实现：
枚举实例的创建时机：枚举的实例是在类加载时创建的，这个过程是由Java虚拟机（JVM）在加载枚举类时自动完成的。JVM确保在任何线程可以访问枚举的实例之前，这些实例已经被创建并初始化完毕。
Java内存模型（JMM）：Java内存模型确保了所有线程可以看到枚举实例的创建和初始化状态。这意味着在任何线程可以访问枚举的实例之前，这些实例的状态对于所有线程都是可见的。
同步机制：在枚举实例的创建过程中，JVM内部会使用同步机制来确保实例的创建是原子性的，也就是说，在创建枚举实例的过程中，不会有其他线程干扰。
不可变性：枚举实例一旦被创建，就不能被修改或重新赋值。这意味着多个线程可以安全地访问枚举实例，而不会出现竞态条件或数据不一致的问题。
由于这些原因，枚举天生就是线程安全的，不需要开发者手动处理同步问题。