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2021-06-17
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单例模式

本文讲述单例设计模式的8种方式，反射和单例的相爱相杀🙃

# 单例模式

单例模式：类的对象有且只有一个

首先控制对象的产生数量：将构造方法私有化(从源头控制对象数量,控制构造方法)

构造方法私有化：

  • 任何其他类均无法参生此对象(本质是任何他类均无法调用构造方法，所以无法产生对象)
  • 唯一的一个对象产生于类内部
  • 唯一的属性为<静态属性>，并且类中提供静态方法取得此对象。因为类的外部无法产生对象，因此无法调用对象方法

【扩充】

Java实例化对象的5种方式：

  1. new
  2. 反射
  3. 工厂方法返回对象
  4. 调用对象的clone()方法
  5. 通过序列化 / 反序列化

# 1. 饿汉式–静态常量

饿汉式单例，顾名思义，就是很饥渴🙃，一上来就new产生实例化对象

/**
 * 饿汉式三个核心组成
 *   1.构造方法私有化
 *   2.类内部提供静态私有域
 *   3.类内部提供静态方法返回唯一对象
 */

class Singletons {
    //唯一的对象在类加载时产生
    private final static Singletons single = new Singletons();

    //构造方法私有化

    private Singletons() { }

    //静态方法-----为什么是静态方法？？
    //因为在类的外部无法产生对象，因此无法调用对象方法
    //通过getter方法取得唯一的对象
    public static Singletons getInstance(){
        return single;
    }
}

public class HungrySingleton01 {
    public static void main(String[] args) {
        //不能直接new,而是通过 Singleton.getInstance()静态方法取得类中已经产生好的对象
        Singletons single = Singletons.getInstance();
        Singletons single1 = Singletons.getInstance();
        // single == single1
    }
}
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因为是静态常量，single和single1一定是同一个对象，所在的内存地址是相同的

饿汉式单例 (静态常量)

【优点】：书写简单，类加载时就完成了实例化，避免了线程同步问题

【缺点】：在类加载就完成实力化，没有达到懒加载的效果。如果从始至终没有使用过这个实例对象，会造成内存浪费

【总结】

  • 可用，但是可能会造成内存资源的浪费

# 2. 饿汉式–静态代码块

class Singleton02 {
    private static Singleton02 single;

    private Singleton02() { }

    static {
        single = new Singleton02();
    }

    public static Singleton02 getInstance(){
        return single;
    }
}

public class HungrySingleton02 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton02 single = Singleton02.getInstance();
        Singleton02 single1 = Singleton02.getInstance();
        // single == single1
    }
}
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饿汉式单例 (静态代码块)

这种方式的优缺点和上面第一种静态变量的没差别，区别就是初始化的位置不同，初始化的过程放到了静态代码块。

# 3. 懒汉式–线程不安全

当第一次去使用Singleton对象的时候才会为其产生实例化对象

通过一个静态公有方法，当使用到该方法时，才创建对象(懒汉式)

/**
 * @Author: Mr.Q
 * @Description:懒汉式单例---线程不安全
 * 特点: 当第一次去使用Singleton对象的时候才会为其产生实例化对象的操作.
 */
class Singleton {

    private static Singleton single;

    //private 声明无参构造
    private Singleton() { }

    //静态公有方法，当使用到该方法时，才创建对象(懒汉式)
    public static Singleton getInstance(){
        if(single == null) {
            single = new Singleton();
        }
        return single;
    }
}

public class LazySingleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton single = Singleton.getInstance();
        Singleton single1 = Singleton.getInstance();
        // single == single1
    }
}
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懒汉式单例 (线程不安全)

【优缺点】

这种写法是存在线程安全问题的。类比于上面两种饿汉式单例模式，它们在没有调用时虽然会造成内存资源的浪费，但是是安全的。因为在类加载时就完成了实例化，避免了线程同步问题。

但是这种懒汉式写法，起到了懒加载效果，但是只能在单线程下使用

【线程安全问题分析】

在多线程场景下，一个线程进入了getInstance方法的if条件判断if(single == null)，还没来得及继续向下执行，另一个新进入的线程也通过了这个判断语句，这是就会产生多个实例，就不是单例的了。

所以此方法在多线程场景下不可使用。

# 4. 懒汉式–同步方法

既然线程不安全，那我们给他加把锁在getInstance方法上保证线程安全。

/**
 * @Author: Mr.Q
 * @Description:懒汉式单例---同步方法(效率太低)
 */
class Singleton04 {

    private static Singleton04 single;

    //private 声明无参构造
    private Singleton04() { }

    //静态公有方法，当使用到该方法时，才创建对象(懒汉式)
    public synchronized static Singleton04 getInstance(){
        if(single == null) {
            single = new Singleton04();
        }
        return single;
    }

    public void print() {
        System.out.println("懒汉式单例(线程安全)，同步方法效率太低");
    }
}

public class LazySingleton04 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton04 single = Singleton04.getInstance();
        single.print();
    }
}
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懒汉式单例(同步方法)

【优点】：解决了线程不安全的问题

【缺点】

  • 效率太低。每个线程想要获取类的实例时，都要等在getInstance这个同步方法外，串型执行。但是由于是单例模式，只会产生一个实例化对象，第一个线程实例化完对象之后，后面的线程便不需要执行if的条件判断了，直接return即可，但是在进入同步方法时每次都要等待，效率太低。

# 5. 懒汉式–同步代码块

先来说一种错误示范：

在if条件中添加同步代码块

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于single= new Singleton()这句，这并非是一个原子操作。

【分析】：

  • 在多线程场景下，同时有多个线程进入到了if条件内，但是只有一个线程A获取到了锁资源，其余的线程都在阻塞等待
  • 等到线程A执行完之后，由于此时其他线程已经进入if条件中，不会再去判断。所以下一个线程进入同步代码块，继续产生对象。此时，变破坏了单例模式。

此处由于不是原子操作，编译器可能会产生指令重排的问题，所以需要保证原子性，同时加上双重if条件判断。懒汉式 (同步代码块)正确的写法应该是双重检查DCL

# 6. 双重检查DCL

volatile关键字修饰，轻量级锁，可以使值修改后立即更新到主存

private volatile static SafeSingleton single = null;
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【这里添加volatile的原因是】

  • 保证可见性
  • 保证有序性，禁止指令重排
single = new SafeSingleton();
1

创建对象这条语句不是原子操作

new关键字创建对象的过程分为三步：

  1. 分配内存空间；

  2. 堆内存上创建对象（执行构造方法）；

  3. 将对象的引用指向堆内存；

由于不是原子操作，就可能产生指令重排的问题。

步骤2和步骤3可能会被编译器指令重排，1 -> 2 -> 3的执行顺序变为了1 -> 3 -> 2

先把对象的引用指向堆空间，然后再在堆上创建对象。(理解为图书馆占座位，人还没到，但是位置上却被占用了)

判断非空，但是实际拿到的对象还未完成初始化去创建，就会出现空指针异常

所以要防止指令重排，保证有序性，及时通知其线程single的实时状态，就必须加上volatile关键字来防止指令重排，保证1 -> 2 -> 3的执行顺序。

class SafeSingleton {

    //使用volatile关键字保其可见性
    private volatile static SafeSingleton single = null;

    private SafeSingleton() { }

    //同步代码块上锁
    public static SafeSingleton getInstance() {
        if(single == null) {
            synchronized (SafeSingleton.class) {
                //双重检查
                if (single == null) {
                    single = new SafeSingleton();
                }
            }
        }
        return single;
    }

    public void print() {
        System.out.println("双重检测锁的DCL单例");
    }
}

public class ReflectDCL {
    public static void main(String[] args) {
        //静态方法取得类中已经产生好的对象
        SafeSingleton single = SafeSingleton.getInstance();
        single.print();
    }
}
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【双重检查分析】

  • Double-Check概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次if(single == null)的检查，这样就可以保证线程安全了。

  • 这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if(single == null)直接 return实例化对象，也避免的反复进行方法同步

  • 线程安全；延迟加载；效率较高

# 7. 静态内部类

我们首先对静态内部类做一个回顾👉还好面试官还没问，赶紧把【内部类】的知识点补上 (opens new window)

静态内部类也是作为一个外部类的静态成员而存在，创建一个类的静态内部类对象不需要依赖其外部类对象

  • 外部类加载时，静态内部类不会被立即加载，而是在外部类中被使用时才会加载，这符合懒加载的策略。

  • 当我们在外部类中调用静态内部类时，会被加载，并且只会被加载一次，在加载时是线程安全的，保障了线程的安全性。

class StaticInner {

    private StaticInner() { }

    //静态内部类
    private static class Singleton {
        private static final StaticInner INSTANCE = new StaticInner();
    }

    public static StaticInner getSingleton() {
        return Singleton.INSTANCE;
    }

    public void print() {
        System.out.println("静态内部类的线程安全的懒汉式单例");
    }
}

public class StaticInnerSingle06 {
    public static void main(String[] args) {
        StaticInner single = StaticInner.getSingleton();
        single.print();
    }
}
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静态内部类

  1. 这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程
  2. 静态内部类方式在外部类被加载时并不会立即变例化，而是在需要实例化时，调用getSingleton方法，才会装载 Singleton内部类，从而完成外部类的实例化。
  3. 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的
  4. 优点：避免了线程不安全，利用静态内部类的特点实现延迟加载，效率高

# 8. 枚举

这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。这种写法是最优雅，最安全的。

不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。

enum Singleton {
    
    INSTANCE; //属性

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

public class Enum07 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton single = Singleton.getInstance();
        Singleton single1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(single == single1);
    }
}
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# 9. ThreadLocal

多于多线程资源贡献，同步机制采用时间换空间的做法，因为资源只有一份，让不同的线程排队去访问。

ThreadLocal采取的是空间换时间，ThreadLocal为每一个线程提供了一份变量副本，人手一份同时访问，不存在相互的竞争和干扰。

class Singleton {
    private Singleton() { }

    private static final  ThreadLocal<Singleton> single = new ThreadLocal<Singleton> () {
        @Override
        protected Singleton initialValue() {
            return new Singleton();
        }
    };

    public static Singleton getInstance() {
        return singleton.get();
    }
}

public class _08ThreadLocalSingleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton single = Singleton.getInstance();
        Singleton singles = Singleton.getInstance();
        System.out.println(single == singles);
    }
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# 10. CAS锁

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

class Singleton {

    private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<>();

    private Singleton() { }

    public static Singleton getInstance() {
        while (true) {
            Singleton singleton = INSTANCE.get();
            if(singleton != null) {
                return singleton;
            }
            singleton = new Singleton();
            if(INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) {
                return singleton;
            }
        }
    }
}

public class SingletonDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton single1 = Singleton.getInstance();
        Singleton single2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(single1 == single2); //true
    }
}
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# 反射！为所欲为？

先来对反射的内容做个回顾👉反射，就是要为所欲为 (opens new window)

# DCL双重检查破坏

通过反射或者序列化会破坏单例，我们就以线程安全的DCL单例来说明。

还是tittle6的代码，我们通过反射来破坏

public static void main(String[] args) throws Exception {
    SafeSingleton single = SafeSingleton.getInstance();
    Constructor<SafeSingleton> dc = SafeSingleton.class.getDeclaredConstructor();
    dc.setAccessible(true);
    SafeSingleton singleCopy = dc.newInstance();
    //false,单例被破坏
    System.out.println(singleCopy == single);
}
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结果输出：false

输出为false，说明单例模式创建了两个对象，被反射破坏了。那如何解决呢？

首先，反射是通过无参构造来创建class对象的，我们在SafeSingleton的构造中再加一把锁来判断：

class SafeSingleton {

    //使用volatile关键字保其可见性
    private volatile static SafeSingleton single = null;

    private SafeSingleton() {
        synchronized (SafeSingleton.class) {
            if (single != null) {
                throw new RuntimeException("Don't destroy by reflection");
            }
        }
    }

    //同步代码块上锁
    public static SafeSingleton getInstance() {
        if(single == null) {
            synchronized (SafeSingleton.class) {
                //双重检查
                if (single == null) {
                    single = new SafeSingleton();
                }
            }
        }
        return single;
    }
}

public class ReflectDCL {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SafeSingleton single = SafeSingleton.getInstance();
        Constructor<SafeSingleton> dc = SafeSingleton.class.getDeclaredConstructor();
        dc.setAccessible(true);
        SafeSingleton singleCopy = dc.newInstance();
        //false,单例被破坏
        System.out.println(singleCopy == single);
    }
}
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问题解决，此时反射无法创建对象。

# 问题又双出现

刚才单例的对象是通过私有构造方法创建的，即调用了getInstance()方法。但是，我不用这样创建，我唯一一个对象也是通过反射来创建呢？

将

SafeSingleton single = SafeSingleton.getInstance();
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换成

SafeSingleton single = dc.newInstance();
1

这时，单例模式又出幺蛾子了，又被反射爆破了！

# 问题解决

我们可以通过添加一个标志位flag来判断，防止反射破坏

class SafeSingleton03 {

    //使用volatile关键字保其可见性
    private volatile static SafeSingleton03 single = null;
    //添加标志位
    private static boolean flag = false;

    private SafeSingleton03() {
        synchronized (SafeSingleton03.class) {
            if (flag == false) {
                flag = true;
            }else {
                throw new RuntimeException("Don't destroy by reflection");
            }
        }
    }

    //同步代码块上锁
    public static SafeSingleton03 getInstance() {
        if(single == null) {
            synchronized (SafeSingleton03.class) {
                //双重检查
                if (single == null) {
                    single = new SafeSingleton03();
                }
            }
        }
        return single;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Constructor<SafeSingleton03> dc = SafeSingleton03.class.getDeclaredConstructor();
        dc.setAccessible(true);
        SafeSingleton03 single = dc.newInstance();
        SafeSingleton03 singleCopy = dc.newInstance();

        System.out.println(single);
        System.out.println(singleCopy);
        System.out.println(single == singleCopy);
    }
}
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再次执行，我们发现标志位法可以拦截两次反射的破坏。

# 问题又双叒出现

在反射中，我们不仅可以获取构造方法呀，还可以获取成员变量呀。那flag通过反射获取并修改，不就有不行了？

class SafeSingleton03 {

    //使用volatile关键字保其可见性
    private volatile static SafeSingleton03 single = null;
    //添加标志位
    private static boolean flag = false;

    private SafeSingleton03() {
        synchronized (SafeSingleton03.class) {
            if (flag == false) {
                flag = true;
            }else {
                throw new RuntimeException("Don't destroy by reflection");
            }
        }
    }

    //同步代码块上锁
    public static SafeSingleton03 getInstance() {
        if(single == null) {
            synchronized (SafeSingleton03.class) {
                //双重检查
                if (single == null) {
                    single = new SafeSingleton03();
                }
            }
        }
        return single;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Constructor<SafeSingleton03> dc = SafeSingleton03.class.getDeclaredConstructor();
        dc.setAccessible(true);
        SafeSingleton03 single = dc.newInstance();

        //再次通过反射修改属性值
        Field flag = SafeSingleton03.class.getDeclaredField("flag");
        flag.setAccessible(true);
        flag.set(dc,false);

        SafeSingleton03 singleCopy = dc.newInstance();

        System.out.println(single);
        System.out.println(singleCopy);
        System.out.println(single == singleCopy);
    }
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通过代码验证，我们发现确实又双出现问题了！

那这，又该怎么搞？

问题，就出在了newInstance方法上，通过反射来创建对象。

我们点开源码看看👀

咦，枚举自带单例模式，反射还破坏不了。是这样吗？我们继续验证

# 问题最终解决

测试反射能否破坏枚举式单例

enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
}

public class EnumTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        EnumSingleton single = EnumSingleton.INSTANCE;
        Constructor<EnumSingleton> dc = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
        dc.setAccessible(true);
        EnumSingleton singleCopy = dc.newInstance();

        System.out.println(single);
        System.out.println(singleCopy);
        System.out.println(single == singleCopy);
    }
}
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至于为什么反射获取的构造方法传入String、int参数，需要通过Jad (opens new window)反编译来查看。不能传入空参构造，否则出现的是NoSuchMethodException

出现源码中抛出的异常IllegalArgumentException

程序最终抛出：java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects异常

# 总结

在JDK中，java.lang.Runtime就是经典的单例模式

掌握这样一些单例模式的奇淫技巧，在历经反射的重重爆破之后，相信你会对单例模式有新的了解！

编辑 (opens new window)
上次更新: 2021/06/27, 10:49:09
约瑟夫环
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