Java 單例模式五種寫法深度解析：從懶漢到雙重檢查鎖

單例模式確保類全局唯一實例，是創建型模式中最基礎、面試最高頻的設計模式。本文系統梳理五種經典實現，從線程不安全到線程安全、從急切創建到延遲加載，層層遞進，並深度解析雙重檢查鎖（DCL）的原理與 volatile 關鍵作用。

一、五種實現方式對比

二、代碼實現詳解

1. 懶漢式基礎版（線程不安全）

public class Singleton1 {
    private static Singleton1 instance;
    private Singleton1() {}
    public static Singleton1 getInstance() {
        if (instance == null) {  // 多線程並發時可能創建多個實例
            instance = new Singleton1();
        }
        return instance;
    }
}

2. 懶漢式同步方法（性能差）

public class Singleton2 {
    private static Singleton2 instance;
    private Singleton2() {}
    // 整個方法加鎖，並發度極低
    public static synchronized Singleton2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton2();
        }
        return instance;
    }
}

3. 餓漢式（類加載時創建）

public class Singleton3 {
    // 類加載機制天然保證線程安全
    private static final Singleton3 INSTANCE = new Singleton3();
    private Singleton3() {}
    public static Singleton3 getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

缺點：類加載即創建，若實例佔用資源大且未必用到，造成浪費。

4. 靜態內部類（推薦：完美平衡）

public class Singleton4 {
    private Singleton4() {}

    // 內部類只有在調用 getInstance() 時才會被加載、初始化
    private static class Holder {
        static final Singleton4 INSTANCE = new Singleton4();
    }

    public static Singleton4 getInstance() {
        return Holder.INSTANCE;
    }
}

原理：利用類加載機制保證線程安全，利用內部類延遲加載特性實現懶加載。無鎖、高性能、代碼簡潔。

5. 雙重檢查鎖 DCL（高性能懶加載標準寫法）

public class Singleton5 {
    // volatile 禁止指令重排，保證可見性
    private volatile static Singleton5 instance;
    private Singleton5() {}

    public static Singleton5 getInstance() {
        if (instance == null) {           // 第一次檢查：無鎖，性能高
            synchronized (Singleton5.class) {  // 類級別鎖
                if (instance == null) {   // 第二次檢查：防止重複創建
                    instance = new Singleton5();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

三、DCL 核心難點：為什麼需要 volatile？

instance = new Singleton5() 非原子操作，JVM 可能重排為：

1. 分配內存空間
2. 初始化對象
3. 將引用指向內存地址

若發生 2↔3 重排，線程 A 執行完步驟 3 但未完成步驟 2，線程 B 進入第一次檢查發現 instance != null，直接返回半初始化對象，導致崩潰。

volatile 禁止指令重排 + 保證可見性，強制執行順序 1→2→3，解決該問題。

四、避坑指南

• ❌ 不要用「同步代碼塊鎖 this」：構造方法未結束，this 尚未完全構造
• ❌ 不要省略第二次 if (instance == null)：否則退化為同步方法
• ✅ JDK 1.5+ 才修復了 volatile 語義，舊版本 DCL 失效
• ✅ 反射可破壞單例，需在構造方法中檢查 if (instance != null) throw Exception
• ✅ 序列化需實現 readResolve() 返回現有實例

五、枚舉單例（Effective Java 作者推薦）

public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;
    public void doSomething() { ... }
}
// 使用：SingletonEnum.INSTANCE.doSomething();

優勢：天然防反射、防序列化破壞、代碼極簡、JVM 保證線程安全。

工程實踐建議：優先靜態內部類，極致性能場景用 DCL，簡單場景用枚舉。理解 DCL 中 volatile 的作用，是掌握 Java 內存模型、指令重排、Happens-Before 規則的絕佳切入點。