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Java
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## 单例（Singleton）
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### Intent
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确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。
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### Class Diagram
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使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。
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私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/eca1f422-8381-409b-ad04-98ef39ae38ba.png"/> </div><br>
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### Implementation
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#### Ⅰ 懒汉式-线程不安全
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以下实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。
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这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 `if (uniqueInstance == null)` ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 `uniqueInstance = new Singleton();` 语句，这将导致实例化多次 uniqueInstance。
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```java
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public class Singleton {
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private static Singleton uniqueInstance;
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private Singleton() {
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}
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public static Singleton getUniqueInstance() {
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if (uniqueInstance == null) {
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uniqueInstance = new Singleton();
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}
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return uniqueInstance;
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}
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}
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```
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#### Ⅱ 饿汉式-线程安全
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线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化多次，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。
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但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。
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```java
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private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
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```
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#### Ⅲ 懒汉式-线程安全
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只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了实例化多次 uniqueInstance。
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但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，即使 uniqueInstance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长，因此该方法有性能问题，不推荐使用。
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```java
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public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
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if (uniqueInstance == null) {
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uniqueInstance = new Singleton();
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}
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return uniqueInstance;
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}
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```
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#### Ⅳ 双重校验锁-线程安全
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uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。
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双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。
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```java
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public class Singleton {
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private volatile static Singleton uniqueInstance;
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private Singleton() {
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}
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public static Singleton getUniqueInstance() {
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if (uniqueInstance == null) {
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synchronized (Singleton.class) {
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if (uniqueInstance == null) {
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uniqueInstance = new Singleton();
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}
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}
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}
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return uniqueInstance;
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}
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}
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```
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考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 `uniqueInstance = new Singleton();` 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句：第一个 if 语句用来避免 uniqueInstance 已经被实例化之后的加锁操作，而第二个 if 语句进行了加锁，所以只能有一个线程进入，就不会出现 uniqueInstance == null 时两个线程同时进行实例化操作。
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```java
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if (uniqueInstance == null) {
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synchronized (Singleton.class) {
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uniqueInstance = new Singleton();
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}
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}
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```
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uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， `uniqueInstance = new Singleton();` 这段代码其实是分为三步执行：
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1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
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2. 初始化 uniqueInstance
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3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址
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但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T<sub>1</sub> 执行了 1 和 3，此时 T<sub>2</sub> 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。
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使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。
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#### Ⅴ 静态内部类实现
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当 Singleton 类被加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 `getUniqueInstance()` 方法从而触发 `SingletonHolder.INSTANCE` 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例，并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。
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这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。
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```java
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public class Singleton {
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private Singleton() {
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}
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private static class SingletonHolder {
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private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
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}
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public static Singleton getUniqueInstance() {
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return SingletonHolder.INSTANCE;
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}
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}
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```
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#### Ⅵ 枚举实现
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```java
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public enum Singleton {
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INSTANCE;
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private String objName;
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public String getObjName() {
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return objName;
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}
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public void setObjName(String objName) {
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this.objName = objName;
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}
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public static void main(String[] args) {
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// 单例测试
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Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
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firstSingleton.setObjName("firstName");
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System.out.println(firstSingleton.getObjName());
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Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
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secondSingleton.setObjName("secondName");
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System.out.println(firstSingleton.getObjName());
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System.out.println(secondSingleton.getObjName());
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// 反射获取实例测试
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try {
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Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
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for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
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System.out.println(enumConstant.getObjName());
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}
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} catch (Exception e) {
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e.printStackTrace();
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}
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}
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}
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```
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```html
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firstName
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secondName
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secondName
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||
secondName
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```
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该实现可以防止反射攻击。在其它实现中，通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。
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该实现在多次序列化和序列化之后，不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段，并且实现序列化和反序列化的方法。
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### Examples
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- Logger Classes
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- Configuration Classes
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- Accesing resources in shared mode
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- Factories implemented as Singletons
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### JDK
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- [java.lang.Runtime#getRuntime()](http://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Runtime.html#getRuntime%28%29)
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- [java.awt.Desktop#getDesktop()](http://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/awt/Desktop.html#getDesktop--)
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- [java.lang.System#getSecurityManager()](https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/System.html#getSecurityManager--)
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