Java面试题：讨论单例模式的实现方式，包括懒汉式和饿汉式，并讨论线程安全问题

单例模式（Singleton Pattern）是一种设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。单例模式在某些场景下很有用，例如配置管理、日志记录等。以下是单例模式的两种主要实现方式：懒汉式（Lazy Initialization）和饿汉式（Eager Initialization），以及它们在多线程环境中的线程安全问题。

1. 懒汉式单例模式

懒汉式单例模式指的是在第一次使用时才创建实例。以下是其基本实现：

非线程安全实现

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

这种实现的主要问题是在多线程环境中，如果多个线程同时调用 getInstance() 方法，可能会创建多个实例。

线程安全的实现

通过同步方法来实现线程安全，但会导致性能开销。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

虽然解决了线程安全问题，但每次调用 getInstance() 都需要同步，导致性能下降。

双重检查锁定（Double-Checked Locking）

这种方法结合了懒汉式和同步块，提高了性能。

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;
    }
}

使用 volatile 关键字确保变量的可见性，双重检查锁定减少了不必要的同步，提高了性能。

2. 饿汉式单例模式

饿汉式单例模式在类加载时就创建实例。以下是其基本实现：

简单实现

public class Singleton {
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

这种实现方式天然是线程安全的，因为实例在类加载时就已经创建，无需额外的同步机制。但如果实例创建的开销较大，且实际未使用，会导致资源浪费。

3. 静态内部类（Bill Pugh Singleton Design）

这种方法利用了 Java 类加载机制的特性来实现懒加载，线程安全且高效。

public class Singleton {
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHelper {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHelper.INSTANCE;
    }
}

静态内部类在 Singleton 类加载时不会初始化，只有在调用 getInstance() 方法时，才会加载 SingletonHelper 类并初始化 INSTANCE。这样既实现了懒加载，又确保了线程安全。

4. 枚举单例（Enum Singleton）

枚举类型是实现单例模式的最佳方法之一，既简洁又保证了线程安全，防止反序列化创建新的对象。

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void someMethod() {
        // 方法实现
    }
}

线程安全问题讨论

1. 懒汉式非线程安全实现在多线程环境下可能会创建多个实例，违反单例模式的基本原则。
2. 懒汉式同步方法实现确保了线程安全，但同步开销较大，每次访问实例都需要同步，导致性能下降。
3. 双重检查锁定有效地减少了同步开销，但需要使用 volatile 关键字来确保变量的可见性和禁止指令重排序。
4. 饿汉式单例模式在类加载时就创建实例，天然是线程安全的，但如果实例创建开销大且未使用会造成资源浪费。
5. 静态内部类方式结合了懒加载和线程安全的优势，推荐使用。
6. 枚举单例方法简洁优雅，利用 Java 枚举类型的特性保证了线程安全和单例特性，是实现单例模式的最佳实践。

结论

在实际项目中选择单例模式的实现方式时，需要根据具体场景权衡懒加载、线程安全和性能等因素。对于一般应用，静态内部类和枚举单例是推荐的实现方式，既保证了线程安全，又避免了不必要的同步开销。