Java 設計模式：單例模式五種寫法演進與線程安全深度分析

前言

在軟體開發中，某些物件全系統只需一個實例（如線程池、快取、配置物件）。單例模式確保類只有一個實例，並提供全域訪問點。

1. 懶漢式（基礎版）

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

優點：延遲載入，用到才建立。
缺點：線程不安全，多線程並發時可能建立多個實例。

2. 懶漢式（同步方法）

public static synchronized Singleton getInstance() {
    if (singleInstance == null) {
        singleInstance = new Singleton();
    }
    return singleInstance;
}

優點：線程安全。
缺點：效率低，每次獲取都要同步，實例建立後其實不需要鎖。

3. 餓漢式（靜態初始化）

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

優點：JVM 類載入機制天然保證線程安全，調用效率高。
缺點：無延遲載入，類載入即建立，可能造成資源浪費；類較大時拖慢啟動。

4. 雙重檢查鎖（DCL，推薦生產環境）

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {                    // 第一次檢查
            synchronized (Singleton.class) {       // 加鎖
                if (instance == null) {            // 第二次檢查
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

關鍵點：

• volatile 禁止指令重排序，確保構造完成前不可見
• 第一次檢查避免不必要同步，第二次檢查確保單例
• 僅 Java 5+ 有效，舊版本記憶體模型不保證

5. 靜態內部類（推薦現代開發）

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

優點：

• 利用 JVM 類載入機制保證線程安全
• 真正實現延遲載入（只有呼叫 getInstance() 才載入 Holder 類）
• 程式碼簡潔，無鎖效能損耗

類載入器陷阱

若系統存在多個 ClassLoader，同一個類可能被載入多次，導致多個單例實例。解決：指定統一的類載入器載入單例類。

總結建議