java单例模式实现

1.最基本的单例模式

/**
 * @author LearnAndGet
 * @time 2018年11月13日
 *  最基本的单例模式
 */
public class SingletonV1 {
    
    private static SingletonV1 instance = new SingletonV1();;
    
    //构造函数私有化
    private SingletonV1() {}

    public static SingletonV1 getInstance() 
    {
        return instance;
    }
}

import org.junit.Test;
public class SingletonTest {
    
    @Test
    public void test01() throws Exception
    {
        SingletonV1 s1 = SingletonV1.getInstance();
        SingletonV1 s2 = SingletonV1.getInstance();
        System.out.println(s1.hashCode());
        System.out.println(s2.hashCode());
    }
}

//运行结果如下：
589873731
589873731

2.类加载时不初始化实例的模式

　　上述单例模式在类加载的时候，就会生成实例，可能造成空间浪费，如果需要修改成，在需要使用时才生成实例，则可修改代码如下：

public class SingletonV2 {
    
    private static SingletonV2 instance;
    
    //构造函数私有化
    private SingletonV2() {}

    public static SingletonV2 getInstance(){
        if(instance == null) 
        {
            instance = new SingletonV2();
        }
        return instance;
    }
}

然而，上述方案虽然在类加载时不会生成实例，但是存在线程安全问题，如果线程A在执行到第10行时，线程B也进入该代码块，恰好也执行好第10行，此时如果实例尚未生成，则线程A和线程B都会执行第12行的代码，各自生成一个实例，此时就违背了单例模式的设计原则。实际测试代码如下：

public class SingletonTest {

    @Test
    public void test02() throws Exception
    {    
        for(int i=0;i<1000;i++) 
        {
            Thread th1 = new getInstanceThread();
            th1.start();
        }
    
    }
    
    class getInstanceThread extends Thread
    {
        public void run() 
        {
            try 
            {
                SingletonV2 s = SingletonV2.getInstance();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get Instance "+s.hashCode()+" Time: "+System.currentTimeMillis());
            }catch(Exception e) 
            {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
}

经过多次测试，可能产生如下输出结果：

　　

3.线程安全的单例模式

　　在上述单例模式下进行改进，在getInstance方法前加入 Sychronized关键字，来实现线程安全，修改后代码如下：

public class SingletonV3 {
    
    private static SingletonV3 instance;
    
    //构造函数私有化
    private SingletonV3() {}

　　　　//synchronized关键字在静态方法上，锁定的是当前类：sychronized关键字
    public static synchronized SingletonV3 getInstance()
    {
        if(instance == null) 
        {
            instance = new SingletonV3();
        }
        return instance;
    }
}

 增加sychronized关键字后，确实能够改善线程安全问题，但是也带来了额外的锁开销。性能受到一定影响。举例来说，此时如果有1000个线程都需要使用SingletonV3实例，因为加锁的位置在getInstance上，因此，每个线程都必须等待其他获取了锁的线程完全执行完锁中的方法后，才能够进入该方法并获取自己的实例。

4.双重校检+线程安全单例模式

　　于是可以在上述代码的基础上，只有当Singleton实例未被初始化时，对实例化方法加锁即可。在Singleton实例已经被初始化时，无需加锁，直接返回当前Singleton对象。代码如下：

    private static SingletonV4 instance;
    
    //构造函数私有化
    private SingletonV4() {}

    public static SingletonV4 getInstance()
    {
        if(instance == null) 
        {
            synchronized(SingletonV4.class) 
            {
                //双重校检
                if(instance == null) 
                {
                    instance = new SingletonV4();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

5.内部类单例模式

　　尽管上述方案解决了同步问题，双重校检也使得性能开销大大减小，但是，只有有synchronized关键字的存在。性能多多少少还是会有一些影响，此时，我们想到了 "内部类"的用法。

　　①.内部类不会随着类的加载而加载

　　②.一个类被加载，当且仅当其某个静态成员（静态域、构造器、静态方法等）被调用时发生。

　　静态内部类随着方法调用而被加载，只加载一次，不存在并发问题，所以是线程安全。基于此，修改代码如下：

　　

 /推荐指数：★★★★★

public class SingletonV5 {
    //构造函数私有化
    private SingletonV5() {}

    static class SingetonGet
    {
        private static final SingletonV5 instance = new SingletonV5();
    }
    
    public static SingletonV5 getInstance() 
    {
        return SingetonGet.instance;
    }
}

6.反射都不能破坏的单例模式

　　静态内部类实现的单例模式，是目前比较推荐的方式，但是在java功能强大反射的机制下，它就是个弟弟，此时利用反射仍然能够创建出多个实例，以下是创建实例的代码：

　　

    @Test
    public void test4()
    {    
        //普通方式获取实例s1，s2
        SingletonV5 s1 = SingletonV5.getInstance();
        SingletonV5 s2 = SingletonV5.getInstance();
        //利用反射获取实例s3,s4
        SingletonV5 s3 = null;
        SingletonV5 s4 = null;
        try 
        {
            Class<SingletonV5> clazz = SingletonV5.class;
            Constructor<SingletonV5> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
            constructor.setAccessible(true);
            s3 = constructor.newInstance();
            s4 = constructor.newInstance();
        }catch(Exception e) 
        {
            e.printStackTrace();
        }
        
        System.out.println(s1.hashCode());
        System.out.println(s2.hashCode());
        System.out.println(s3.hashCode());
        System.out.println(s4.hashCode());    
    }

输出结果如下：

　　

589873731
589873731
200006406
2052001577

 可以看到，s1和s2拥有相同的哈希码，因此他们是同一个实例，但是s3、s4，是通过反射后用构造函数重新构造生成的实例，他们均与s1，s2不同。此时单例模式下产生了多个不同的对象，违反了设计原则。

基于上述反射可能造成的单例模式失效，考虑在私有的构造函数中添加是否初始化的标记位，使私有构造方法只可能被执行一次。

public class SingletonV6 {
    //是否已经初始化过的标记位
    private static boolean isInitialized = false;
    
    //构造函数中，当实例已经被初始化时，不能继续获取新实例
    private SingletonV6() 
    {
        synchronized(SingletonV6.class) 
        {
            if(isInitialized == false) 
            {
                isInitialized = !isInitialized;
            }else 
            {
                throw new RuntimeException("单例模式被破坏...");
            }
        }    
    }

    static class SingetonGet
    {
        private static final SingletonV6 instance = new SingletonV6();
    }
    
    public static SingletonV6 getInstance() 
    {
        return SingetonGet.instance;
    }
}

测试代码如下：

    @Test
    public void test5()
    {    
        SingletonV6 s1 = SingletonV6.getInstance();
        SingletonV6 s2 = null;
        try 
        {
            Class<SingletonV6> clazz = SingletonV6.class;
            Constructor<SingletonV6> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
            constructor.setAccessible(true);
            s2 = constructor.newInstance();

        }catch(Exception e) 
        {
            e.printStackTrace();
        }    
        System.out.println(s1.hashCode());
        System.out.println(s2.hashCode());
    }

  运行上述代码时，会抛出异常：

　　

java.lang.reflect.InvocationTargetException
    at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(Unknown Source)
    at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(Unknown Source)
    at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Unknown Source)
    at SingletonTest.SingletonTest.test5(SingletonTest.java:98)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(Unknown Source)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(Unknown Source)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Unknown Source)
    at org.junit.runners.model.FrameworkMethod$1.runReflectiveCall(FrameworkMethod.java:50)
    at org.junit.internal.runners.model.ReflectiveCallable.run(ReflectiveCallable.java:12)
    at org.junit.runners.model.FrameworkMethod.invokeExplosively(FrameworkMethod.java:47)
    at org.junit.internal.runners.statements.InvokeMethod.evaluate(InvokeMethod.java:17)
    at org.junit.runners.ParentRunner.runLeaf(ParentRunner.java:325)
    at org.junit.runners.BlockJUnit4ClassRunner.runChild(BlockJUnit4ClassRunner.java:78)
    at org.junit.runners.BlockJUnit4ClassRunner.runChild(BlockJUnit4ClassRunner.java:57)
    at org.junit.runners.ParentRunner$3.run(ParentRunner.java:290)
    at org.junit.runners.ParentRunner$1.schedule(ParentRunner.java:71)
    at org.junit.runners.ParentRunner.runChildren(ParentRunner.java:288)
    at org.junit.runners.ParentRunner.access$000(ParentRunner.java:58)
    at org.junit.runners.ParentRunner$2.evaluate(ParentRunner.java:268)
    at org.junit.runners.ParentRunner.run(ParentRunner.java:363)
    at org.eclipse.jdt.internal.junit4.runner.JUnit4TestReference.run(JUnit4TestReference.java:86)
    at org.eclipse.jdt.internal.junit.runner.TestExecution.run(TestExecution.java:38)
    at org.eclipse.jdt.internal.junit.runner.RemoteTestRunner.runTests(RemoteTestRunner.java:538)
    at org.eclipse.jdt.internal.junit.runner.RemoteTestRunner.runTests(RemoteTestRunner.java:760)
    at org.eclipse.jdt.internal.junit.runner.RemoteTestRunner.run(RemoteTestRunner.java:460)
    at org.eclipse.jdt.internal.junit.runner.RemoteTestRunner.main(RemoteTestRunner.java:206)
Caused by: java.lang.RuntimeException: 单例模式被破坏...
    at SingletonTest.SingletonV6.<init>(SingletonV6.java:26)
    ... 28 more
2052001577

7.序列化反序列化都不能破坏的单例模式

　　经过上述改进，反射也不能够破坏单例模式了。但是，依然存在一种可能造成上述单例模式产生两个不同的实例，那就是序列化。当一个对象A经过序列化，然后再反序列化，获取到的对象B和A是否是同一个实例呢，验证代码如下：

　　

/**
 * @Author {LearnAndGet}
 * @Time 2018年11月13日
 * @Discription:测试序列化并反序列化是否还是同一对象
 */
package SingletonTest;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInput;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutput;
import java.io.ObjectOutputStream;

public class Main {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        SingletonV6 s1 = SingletonV6.getInstance();
        
        ObjectOutput objOut = null;
        
        try {
            //将s1序列化（记得将Singleton实现Serializable接口）
            objOut = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("c:\a.objFile"));
            objOut.writeObject(s1);
            objOut.close();
            
            //反序列化得到s2
            ObjectInput objIn = new ObjectInputStream(new FileInputStream("c:\a.objFile"));
            SingletonV6 s2 = (SingletonV6) objIn.readObject();
            objIn.close();
            
            System.out.println(s1.hashCode());
            System.out.println(s2.hashCode());
            
            } catch (Exception e) 
            {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
            }
    }

}

　　输出结果如下：

　　

1118140819
990368553

 可见，此时序列化前的对象s1和经过序列化->反序列化步骤后的到的对象s2，并不是同一个对象，因此，出现了两个实例，再次违背了单例模式的设计原则。

为了消除问题，在单例模式类中，实现Serializable接口之后 添加对readResolve()方法的实现：当从I/O流中读取对象时，readResolve()方法都会被调用到。实际上就是用readResolve()中返回的对象直接替换在反序列化过程中创建的对象，而被创建的对象则会被垃圾回收掉。这就确保了在序列化和反序列化的过程中没人可以创建新的实例,修改后的代码如下：

　　

package SingletonTest;

import java.io.Serializable;

/**
 * @author LearnAndGet
 *
 * @time 2018年11月13日
 * 
 */
public class SingletonV6  implements Serializable{
    //是否已经初始化过的标记位
    private static boolean isInitialized = false;
    
    //构造函数中，当实例已经被初始化时，不能继续获取新实例
    private SingletonV6() 
    {
        synchronized(SingletonV6.class) 
        {
            if(isInitialized == false) 
            {
                isInitialized = !isInitialized;
            }else 
            {
                throw new RuntimeException("单例模式被破坏...");
            }
        }    
    }

    static class SingetonGet
    {
        private static final SingletonV6 instance = new SingletonV6();
    }
    
    public static SingletonV6 getInstance() 
    {
        return SingetonGet.instance;
    }
    //实现readResolve方法
    private Object readResolve() 
    {
        return getInstance();
    }
}

 重新运行上述序列化和反序列过程，可以发现，此时得到的对象是同一对象。

　　

1118140819
1118140819

8.总结

　　在实际开发中，根据自己的需要，选择对应的单例模式即可，不一样非要实现第7节中那种无坚不摧的单例模式。毕竟不是所有场景下都需要实现序列化接口， 也并不是所有人都会用反射来破坏单例模式。因此比较常用的是第5节中的，内部类单例模式，代码简洁明了，且节省空间。