Java 單例模式四大寫法深度解析：從懶漢、餓漢到雙重檢查鎖與靜態內部類

前言：單例模式的核心約束

單例模式確保類別在全域僅有一個實例，並提供全域存取點。實現關鍵只有兩點：私有化建構子（防外部 new）與 靜態方法/屬性提供唯一實例。本文詳細比較四種經典寫法並補充雙重檢查鎖（DCL）與靜態內部類兩種進階寫法。

四大基礎寫法比較

1. 懶漢式（Lazy Initialization）

需求時才建立，多執行緒下必須加同步，否則多執行緒同時進入 if (instance == null) 會產生多個實例。

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

缺點：synchronized 鎖住整個方法，效能差；高併發下成為瓶頸。

2. 餓漢式

類別載入時即建立實例，天然執行緒安全（JVM 類別載入機制保證）。

public class EagerSingleton {
    private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();
    private EagerSingleton() {}
    public static EagerSingleton getInstance() { return INSTANCE; }
}

缺點：若實例建立耗時或資源重，且可能不被使用，造成資源浪費。

3. 靜態常量式（Effective Java 推薦）

本質同餓漢，利用 static final 語義保證唯一性。

public class StaticFinalSingleton {
    public static final StaticFinalSingleton INSTANCE = new StaticFinalSingleton();
    private StaticFinalSingleton() {}
}

4. 靜態內部類式

結合懶漢延遲載入與執行緒安全，利用 JVM 類別載入機制：外部類別載入時不載入內部類，只有呼叫 getInstance() 時才載入 Holder 並初始化 INSTANCE。

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

推薦程度：★★★★★ 兼具延遲載入、高效能、執行緒安全、程式碼簡潔。

進階寫法：雙重檢查鎖

試圖兼顧延遲載入與效能，但 JDK 1.5 前因指令重排序有缺陷，需加 volatile 修飾 instance。

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

多執行緒驗證實驗

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 啟動大量執行緒同時呼叫 getInstance()
        // 驗證所有執行緒拿到的引用是否指向同一物件
    }
}

實務應用場景

• 配置檔讀取器（LoadProperties）：全域唯一、避免重複 I/O。
• 資料庫連線池、日誌管理器、快取管理器。
• 常與工廠模式結合：工廠本身做成單例，統一管理物件建立。

總結建議

1. 一般情況首選靜態內部類。
2. 極度追求效能且確定會被使用，可用餓漢/靜態常量。
3. 需延遲載入且環境為 JDK 1.5+，可用DCL + volatile。
4. 嚴禁將建構子設為 public，違背單例初衷。