设计模式（一）之单例模式（Singleton Pattern）深入浅出

单例模式介绍：单例模式是指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并且提供一个全局的访问点。隐藏其所有构造方法，属于创新型模式。

常见的单例有：ServletContext、ServletConfig、ApplicationContext、DBPool

单例模式的优点：

• 在内存中只有一个实例，减少内存开销。
• 可以避免对资源的占用
• 设置全局访问点，严格控制访问

单例模式的缺点：

• 没有接口，扩展困难
• 如果要扩展单例对象，只有修改代码，没有其他捷径

以下是单例模式的种类及优缺点分析

饿汉式单例

在单例类首次加载时就创建实例

 第一种写法：

public class HungrySingleton {

    private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();

    private HungrySingleton() {
    }

    public static HungrySingleton getInstance() {
        return hungrySingleton;
    }
}

　第二种写法：　

public class HungryStaticSingleton {

    private static final HungryStaticSingleton hungrySingleton;

    static {
        hungrySingleton = new HungryStaticSingleton();
    }

    private HungryStaticSingleton() {
    }

    public static HungryStaticSingleton getInstance() {
        return hungrySingleton;
    }
}

　　缺点：单例实例在类装载时就构建，浪费资源空间

懒汉式单例

一、懒汉式第一种：

首先先简单实现以下

public class LazySimpleSingleton {

    private static LazySimpleSingleton lazySingleton = null;

    private LazySimpleSingleton() {
    }

    public static LazySimpleSingleton getInstance() {

        if (lazySingleton == null) {
            lazySingleton = new LazySimpleSingleton();
        }
        return lazySingleton;
    }
}

　我们用线程测一下在多线程场景下会不会出现问题

先创建一个线程类

public class ExectorTread implements Runnable {


    @Override
    public void run() {
        LazySimpleSingleton instance = LazySimpleSingleton.getInstance();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + instance);
    }
}

     测试

public class LazySimpleSingletonTest {

    public static void main(String[] args) {

        Thread t1 = new Thread(new ExectorTread());
        Thread t2 = new Thread(new ExectorTread());

        t1.start();
        t2.start();

        System.out.println("Exector End");
    }
}

　　运行结果

 结果发现创建的对象不一样

如果在方法上加入锁会解决问题

public class LazySimpleSingleton {

    private static LazySimpleSingleton lazySingleton = null;

    private LazySimpleSingleton() {
    }

    public synchronized static LazySimpleSingleton getInstance() {

        if (lazySingleton == null) {
            lazySingleton = new LazySimpleSingleton();
        }
        return lazySingleton;
    }
}

　　虽然jdk1.6之后对synchronized性能优化了不少，但是还是存在一定的性能问题，这种写法会造成整个类被锁住，大大降低了性能

于是我们有了新的写法

二、懒汉式第二种：

public class LazyDoubleCheckSingleton {

    private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazySingleton = null;

    private LazyDoubleCheckSingleton() {
    }
    //    适中方案
    //    双重检查锁
    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {

        if (lazySingleton == null) {
            synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
                if (lazySingleton == null) {
                    lazySingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        return lazySingleton;
    }
}

知识补充：

　　1、线程安全性开发遵循三个原则：

• 原子性：即一个操作或者多个操作要么全部执行,要么都不执行
• 可见性：多个线程访问同一变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看到修改的值
• 有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行

　　通过对这段代码线程的debug发现，这里双重检查体现了可见性

　　2、JVM：CPU在执行的时候会转换成JVM指令

            　lazySingleton = new LazySimpleSingleton(); 这行代码实际进行了如下操作

• 　　　　第一步、分配内存给对象
• 　　　　第二步、初始化对象
• 　　　　第三步、将初始化对象和内存地址关联（赋值）
• 　　　　第四步、用户初次访问

在多线程环境中，第二步和第三步可能会发生颠倒，这就需要指令重排序，于是我们在变量声明上加上volatile关键字就很好的解决了问题

volatile相关博客

三、懒汉式第三种

通过内部类的方式实现

public class LazyInnerClassSingleton {

    private LazyInnerClassSingleton() {
    }

    public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
        return LazyHolder.LAZY;
    }

    private static class LazyHolder {
        private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
    }
}

　　性能上最优的一种写法，全程没有用到synchronized，

　　通过懒加载饿汉式写法达到了懒汉式的目的，LazyHolder里面的逻辑要等到外面调用才执行，巧妙地运用了内部类的特性

　　有人会问这个不用考虑线程安全吗？其实这是利用了JVM底层的执行逻辑，完美的避开了线程安全性的问题

但是我们会考虑另一个问题，该类构造器虽然私有了，但是还是会被反射攻击，难逃反射法眼

我们来测试一下

public class LazyInnerClassSingletonTest {

    public static void main(String[] args) {

        try {
//          调用者装B，不走寻常路，显然搞坏了单例
            Class<LazyInnerClassSingleton> clazz = LazyInnerClassSingleton.class;
            Constructor<LazyInnerClassSingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
            constructor.setAccessible(true);//强吻（问）
            LazyInnerClassSingleton instance = constructor.newInstance();
            System.out.println(instance);
//          正常调用
            LazyInnerClassSingleton instance2 = LazyInnerClassSingleton.getInstance();
            System.out.println(instance2);
            System.out.println(instance == instance2);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

　　运行结果

针对反射问题我们有了以下解决办法

public class LazyInnerClassSingleton {

    private LazyInnerClassSingleton() {
        if (LazyHolder.LAZY != null){
            throw new RuntimeException("不允许构建多个实例");
        }
    }

    public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
        return LazyHolder.LAZY;
    }

    private static class LazyHolder {
        private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
    }
}

　　在私有构造方法上加上判断，如果已经对象被初始化就抛出异常

好的，被反射破坏的问题解决了，还会想到另一个问题，如果被反序列化对象还是单例吗？

　　知识点补充：反序列化是将已经持久的的字节码内容，转换为IO流，在转换过程中重新创建对象new。

我们拿饿汉式单例测试一下

单例类：

public class SeriableSingleton implements Serializable {

    private static final SeriableSingleton singleton = new SeriableSingleton();

    private SeriableSingleton() {
    }

    public static SeriableSingleton getInstance() {
        return singleton;
    }
}

测试类：

public class SeriableSingletonTest {

    public static void main(String[] args) {

        FileOutputStream fso = null;
        SeriableSingleton s1 = null;
        SeriableSingleton s2 = SeriableSingleton.getInstance();

        try {
            fso = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fso);
            oos.writeObject(s2);
            oos.flush();
            oos.close();

            FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            s1 = (SeriableSingleton) ois.readObject();
            ois.close();

            System.out.println(s1);
            System.out.println(s2);
            System.out.println(s1 == s2);


        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

　　运行结果

显然反序列化破坏了单例

现在我们通过源码寻找答案

进入readObject()方法

方法通过调用readObject0(false)返回结果，再次进入readObject0()方法

 找到object类型，调用了checkResolve(readOrdinaryObject(unshared)),进入readOrdinaryObject方法

在这里我们找到了实例化对象的语句

obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;

意思是如果这个对象能被初始化就实例化对象，否则等于null

在这里打个断点调试一下，确实实例化了对象，存在私有构造方法也会实例化对象

接着往下看

如果desc.hasReadResolveMethod()返回true，就调用Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);返回obj

进入hasReadResolveMethod

 源码分析过后发现这个hasReadResolveMethod（）方法是用来判断readResolve方法是否存在，如果存在返回true，不存在返回false

再看invokeReadResolve()方法

 返回了readResolve这个方法的返回值，

所以经过这个判断会重新加载对象并返回

 接下来我们得出结论，代码增加重写方法readResolve

public class SeriableSingleton implements Serializable {

    private static final SeriableSingleton singleton = new SeriableSingleton();

    private SeriableSingleton() {
    }

    public static SeriableSingleton getInstance() {
        return singleton;
    }

    protected Object readResolve() {
        return singleton;
    }
}

　　再次运行解决了序列化的问题

但是值得我们注意的是，重写readResolve方法只不过是覆盖了反序列化出来的对象，对象还是创建了2次，

由于发生再JVM层面，相对来说比较安全，在之前没有被引用的对象会被GC回收（JVM知识点）

注册式单例

 一、第一种写法

使用枚举类实现单例模式，也是《Effictive Java》这本书推荐的写法

public enum EnumSingleton {

    INSTANCE;

    private Object data;

    public Object getData() {
        return data;
    }

    public void setData(Object data) {
        this.data = data;
    }

    public static EnumSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

 1、首先判断线程安全性

　　通过反编译工具JAD得到枚举类的源码，附：JAD下载地址

public final class EnumSingleton extends Enum
{

    public static EnumSingleton[] values()
    {
        return (EnumSingleton[])$VALUES.clone();
    }

    public static EnumSingleton valueOf(String name)
    {
        return (EnumSingleton)Enum.valueOf(com/zc/singleton/register/EnumSingleton, name);
    }

    private EnumSingleton(String s, int i)
    {
        super(s, i);
    }

    public Object getData()
    {
        return data;
    }

    public void setData(Object data)
    {
        this.data = data;
    }

    public static EnumSingleton getInstance()
    {
        return INSTANCE;
    }

    public static final EnumSingleton INSTANCE;
    private Object data;
    private static final EnumSingleton $VALUES[];

    static 
    {
        INSTANCE = new EnumSingleton("INSTANCE", 0);
        $VALUES = (new EnumSingleton[] {
            INSTANCE
        });
    }
}

通过代码发现，静态代码块实例化了单例类，属于饿汉式单列，不存在线程安全性问题，这个实例化过程发生在JVM层面，所以可以认为懒加载

2、测试序列化

public class EnumSingletonTest {


    public static void main(String[] args) {

        FileOutputStream fso = null;
        EnumSingleton s1 = null;
        EnumSingleton s2 = EnumSingleton.getInstance();
        s2.setData(new Object());

        try {
            fso = new FileOutputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fso);
            oos.writeObject(s2);
            oos.flush();
            oos.close();

            FileInputStream fis = new FileInputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            s1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
            ois.close();

            System.out.println(s1.getData());
            System.out.println(s2.getData());
            System.out.println(s1.getData() == s2.getData());


        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果 ：

 

枚举类是怎样避免不被序列化破坏的呢？我们来查看源码

首先进入枚举类型case

 进入readEnum方法

通过枚举类对象根据注册的类名获取实例然后返回，所以不会创建新的对象

3、测试反射

//        反射
        try {
            Class<EnumSingleton> clazz = EnumSingleton.class;
            Constructor<EnumSingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
            constructor.setAccessible(true);
            constructor.newInstance();

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

运行结果 ：

报错：没有找到这样的构造方法

反编译获取的类有这样的一个构造方法

private EnumSingleton(String s, int i)
    {
        super(s, i);
    }

我们用这个构造再实例化一次看看

测试：

//        反射
        try {
            Class<EnumSingleton> clazz = EnumSingleton.class;
            Constructor<EnumSingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
            constructor.setAccessible(true);
            EnumSingleton instance = constructor.newInstance("zhou", 666);
            System.out.println(instance);

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

运行结果：

报错：不能通过反射创建这个枚举对象

查看源码：

 得知如果该类的类型为枚举类，就抛出异常

总结：从JDK层面就为枚举类不被实例化和反射保驾护航

二、第二种写法

容器式单例，Spring容器中单例的写法

public class ContainerSingleton {

    private ContainerSingleton() {}

    private static Map<String, Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String, Object>();

    public static Object getBean(String className){

        synchronized (ioc){

            if (!ioc.containsKey(className)){
                Object obj = null;
                try {
                    obj = Class.forName(className).newInstance();
                    ioc.put(className,obj);
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                return obj;
            }
            return ioc.get(className);
        }

    }
}

优点：对象方便管理，其实也是属于懒加载

ThreadLocal

使用ThreadLocal实现单例模式

//伪线程安全
public class ThreadLocalSingleton {

    private ThreadLocalSingleton(){}

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

    public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
        return threadLocalSingleton.get();
    }
}

测试多线程

public class ExectorTread implements Runnable {


    @Override
    public void run() {

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ThreadLocalSingleton.getInstance());
    }
}

public class ThreadLocalSingletonTest {

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +  ":" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +  ":" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +  ":" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +  ":" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +  ":" +ThreadLocalSingleton.getInstance());

        Thread t1 = new Thread(new ExectorTread());
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(new ExectorTread());
        t2.start();
    }
}

打印结果

 结论：该单例在单个线程中可以保持单例，但是每个其他线程互相都不一样

　　　　原理：每次获取实例会从ThreadLocalMap中取值，而每个单例的key就是线程名

属于注册式单例（容器形式）

应用场景：Spring的orm框架中

 以上对单例模式的介绍到此结束，欢迎批评指正。 附：源码地址