大型Java进阶专题(五) 设计模式之单例模式

前言

​ 今天开始我们专题的第四课了，最近公司项目忙,没时间写,今天抽空继续。上篇文章对工厂模式进行了详细的讲解，想必大家对设计模式合理运用的好处深有感触。本章节将介绍：单例模式与原型模式。本章节参考资料书籍《Spring 5核心原理》中的第一篇 Spring 内功心法（Spring中常用的设计模式）（没有电子档，都是我取其精华并结合自己的理解，一个字一个字手敲出来的）。

单例模式

单例模式的应用场景

​ 单例模式（Singleton Pattern）是指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并提供一个全局访问点。单例模式是创建型模式。单例模式在现实生活中应用也非常广泛。例如，国家主席、公司CEO、部门经理等。在 J2EE 标准中，ServletContext、ServletContextConfig等；在Spring框架应用中ApplicationContext；数据库的连接池也都是单例形式。

饿汉式单例

先看下单例模式的类结构图：

​ 饿汉式单例是在类加载的时候就立即初始化，并且创建单例对象。绝对线程安全，在线程还没出现以前就是实例化了，不可能存在访问安全问题。
优点：没有加任何的锁、执行效率比较高，在用户体验上来说，比懒汉式更好。
缺点：类加载的时候就初始化，不管用与不用都占着空间，浪费了内存，有可能占着茅坑不拉屎。
​ Spring中IOC容器ApplicationContext本身就是典型的饿汉式单例。接下来看一段代码：

public class HungrySingleton {
    //类加载顺序:先静态、后动态
    //先属性、后方法
    //先上后下
    private static final HungrySingleton HUNGRY_SINGLETON = new HungrySingleton();

    private HungrySingleton() {
    }

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

调用过程：当你第一次调用HungrySingleton.getInstance()时，类加载器会加载改对象，会先初始化心态属性，也就是执行了新建一个HungrySingleton对象，再加载静态方法getInstance()，返回的就是刚刚新建的对象。只有再调用都会直接返回了。

​ 此外还有另外一种写法，使用静态代码块：

public class HungrySingleton {
    //类加载顺序:静态代码块=》静态属性=》静态方法
    private static final HungrySingleton HUNGRY_SINGLETON;

    static {
        HUNGRY_SINGLETON = new HungrySingleton();
    }
    
    private HungrySingleton() {
    }

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

​ 这两种写法都非常的简单，也非常好理解，饿汉式适用在单例对象较少的情况。下面我们来看性能更优的写法。

懒汉式单例

懒汉式单例的特点是：被外部类调用的时候内部类才会加载，下面看懒汉式单例的简单实现LazySimpleSingleton：

//当外部使用时才会实例化
public class LazySimpleSingleton {
    //静态块,公共内存区域
    private static LazySimpleSingleton LAZY_SINGLETON;

    public static LazySimpleSingleton getInstance() {
        if (LAZY_SINGLETON == null) {
            LAZY_SINGLETON = new LazySimpleSingleton();
        }
        return LAZY_SINGLETON;
    }

    private LazySimpleSingleton() {
    }
}

创建线程类:

public class ExectorThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        LazySimpleSingleton singleton = LazySimpleSingleton.getInstance();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + singleton);
    }
}

客户端测试代码:

public class LazySimpleSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new ExectorThread());
        Thread t2 = new Thread(new ExectorThread());
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println("End");
    }
}

调用结果:

End
Thread-1:com.study.demo.LazySimpleSingleton@20cf7200
Thread-0:com.study.demo.LazySimpleSingleton@39b6c48f

一定几率出现创建两个不同结果的情况，意味着上面的单例存在线程安全隐患。这是因为两个线程同时执行的了,调用方法发现实例都还没来得及创建，两个线程就分别都创建了一个实例。有时，我们得到的运行结果可能是相同的两个对象，实际上是被后面执行的线程覆盖了，我们看到了一个假象，线程安全隐患依旧存在。那么，我们如何来优化代码，使得懒汉式单例在线程环境下安全呢？来看下面的代码，给getInstance()加上synchronized关键字，是这个方法变成线程同步方法：

//当外部使用时才会实例化
public class LazySimpleSingleton {
    //静态块,公共内存区域
    private static LazySimpleSingleton LAZY_SINGLETON;

    public synchronized static LazySimpleSingleton getInstance() {
        if (LAZY_SINGLETON == null) {
            LAZY_SINGLETON = new LazySimpleSingleton();
        }
        return LAZY_SINGLETON;
    }

    private LazySimpleSingleton() {
    }
}

​ 这时候，我们再来调试。当我们将其中一个线程执行并调用getInstance()方法时，另一个线程在调用getInstance()方法，线程的状态由RUNNING变成了MONITOR,出现阻塞。直到第一个线程执行完，第二个线程才恢复RUNNING状态继续调用getInstance()方法。

​ 完美的展现了synchronized监视锁的运行状态，线程安全的问题便解决了。但是，用synchronized加锁，在线程数量比较多情况下，如果CPU分配压力上升，会导致大批量线程出现阻塞，从而导致程序运行性能大幅下降。那么，有没有一种更好的方式，既兼顾线程安全又提升程序性能呢？答案是肯定的。我们来看双重检查锁的单例模式：

//当外部使用时才会实例化
public class LazySimpleSingleton {
    //静态块,公共内存区域
    private static LazySimpleSingleton LAZY_SINGLETON;

    //1.分配内存给这个对象
    //2.初始化对象
    //3.设置 lazy 指向刚分配的内存地址
    public static LazySimpleSingleton getInstance() {
        if (LAZY_SINGLETON == null) {
            synchronized (LazySimpleSingleton.class) {
                if (LAZY_SINGLETON == null) {
                    LAZY_SINGLETON = new LazySimpleSingleton();
                }
            }
        }
        return LAZY_SINGLETON;
    }

    private LazySimpleSingleton() {
    }
}

当第一个线程调用getInstance()方法时，第二个线程也可以调用getInstance()。当第一个线程执行到synchronized时会上锁，第二个线程就会变成MONITOR状态，出现阻塞。此时，阻塞并不是基于整个LazySimpleSingleton类的阻塞，而是在getInstance()方法内部阻塞，只要逻辑不是太复杂，对于调用者而言感知不到。但是，用到synchronized关键字，总归是要上锁，对程序性能还是存在一定影响的。难道就真的没有更好的方案吗？当然是有的。我们可以从类初始化角度来考虑，看下面的代码，采用静态内部类的方式：

//这种形式兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾 synchronized 性能问题
//完美地屏蔽了这两个缺点
public class LazyInnerSingleton {
    private LazyInnerSingleton() {
    }
    //每一个关键字都不是多余的
    //static 是为了使单例的空间共享
    //fin保证这个方法不会被重写，重载
    public static final LazyInnerSingleton getInstance() {
        //在返回结果以前，一定会先加载内部类
        return LazyHolder.INNER_SINGLETON;
    }
    //如果没使用的话，内部类是不加载的
    private static class LazyHolder{
        private static final LazyInnerSingleton INNER_SINGLETON = new LazyInnerSingleton();
    }
}

这种形式兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾synchronized性能问题。内部类一定是要在方法调用之前初始化，巧妙地避免了线程安全问题。

反射破坏单例

​ 大家有没有发现，上面介绍的单例模式的构造方法除了加上private以外，没有做任何处理。如果我们使用反射来调用其构造方法，然后，再调用getInstance()方法，应该就会两个不同的实例。现在来看一段测试代码,LazyInnerClassSingleton为例：

public class LazyInnerClassSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
            try{
                //很无聊的情况下，进行破坏
                Class<?> clazz = LazyInnerClassSingleton.class;
                //通过反射拿到私有的构造方法
                Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
                //强制访问，强吻，不愿意也要吻
                c.setAccessible(true);
                //暴力初始化
                Object o1 = c.newInstance();
                //调用了两次构造方法，相当于 new 了两次
                //犯了原则性问题，
                Object o2 = c.newInstance();
                System.out.println(o1 == o2);
                // Object o2 = c.newInstance();
            }catch (Exception e){
         	   e.printStackTrace();
            }
    }
}
//运行结果
false

​ 显然，是创建了两个不同的实例。现在，我们在其构造方法中做一些限制，一旦出现多次重复创建，则直接抛出异常。来看优化后的代码：

//史上最牛 B 的单例模式的实现方式
public class LazyInnerClassSingleton {
    //默认使用 LazyInnerClassGeneral 的时候，会先初始化内部类
    //如果没使用的话，内部类是不加载的
    private LazyInnerClassSingleton(){
            if(LazyHolder.LAZY != null){
                throw new RuntimeException("不允许创建多个实例");
            }
        }
        //每一个关键字都不是多余的
        //static 是为了使单例的空间共享
        //保证这个方法不会被重写，重载
        public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){
            //在返回结果以前，一定会先加载内部类
            return LazyHolder.LAZY;
        }
        //默认不加载
        private static class LazyHolder{
            private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
    }
}

​ 再运行测试代码，会得到以下结果：调用构造方法就会抛出异常。至此，史上最牛B的单例写法便大功告成。

序列化破坏单例

​ 当我们将一个单例对象创建好，有时候需要将对象序列化然后写入到磁盘，下次使用时再从磁盘中读取到对象，反序列化转化为内存对象。反序列化后的对象会重新分配内存，即重新创建。那如果序列化的目标的对象为单例对象，就违背了单例模式的初衷，相当于破坏了单例，来看一段代码：

//反序列化时导致单例破坏
public class SeriableSingleton implements Serializable {
    //序列化就是说把内存中的状态通过转换成字节码的形式
    //从而转换一个 IO 流，写入到其他地方(可以是磁盘、网络 IO)
    //内存中状态给永久保存下来了
    //反序列化
    //讲已经持久化的字节码内容，转换为 IO 流
    //通过 IO 流的读取，进而将读取的内容转换为 Java 对象
    //在转换过程中会重新创建对象 new
    public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
    private SeriableSingleton(){}
    public static SeriableSingleton getInstance(){
    return INSTANCE;
    }
}

编写测试代码：

package com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.test;
import com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;

public class SeriableSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        SeriableSingleton s1 = null;
        SeriableSingleton s2 = SeriableSingleton.getInstance();
        FileOutputStream fos = null;
        try {
            fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            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  false

​ 运行结果中，可以看出，反序列化后的对象和手动创建的对象是不一致的，实例化了两次，违背了单例的设计初衷。那么，我们如何保证序列化的情况下也能够实现单例？其实很简单，只需要增加readResolve()方法即可。来看优化代码：

package com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.seriable;
    import java.io.Serializable;

    public class SeriableSingleton implements Serializable {
        public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
        private SeriableSingleton(){}
        public static SeriableSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
        
    private Object readResolve(){
   		return INSTANCE;
    }
}

//再次运行结果 为ture

大家一定会关心这是什么原因呢？为什么要这样写？看上去很神奇的样子，也让人有些费解。不如，我们一起来看看 JDK 的源码实现以一清二楚了。我们进入ObjectInputStream类的readObject()方法，代码如下：

public final Object readObject() throws IOException, ClassNotFoundException{
    if (enableOverride) {
    	return readObjectOverride();
    }
    // if nested read, passHandle contains handle of enclosing object
    int outerHandle = passHandle;
    try {
            Object obj = readObject0(false);
            handles.markDependency(outerHandle, passHandle);
            ClassNotFoundException ex = handles.lookupException(passHandle);
        if (ex != null) {
       	 throw ex;
        }
        if (depth == 0) {
        	vlist.doCallbacks();
        }
        return obj;
    } finally {
        passHandle = outerHandle;
        if (closed && depth == 0) {
        	clear();
        }
    }
}

我们发现在readObject中又调用了我们重写的readObject0()方法。 进入readObject0()方法，代码如下：

private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
    ...
    case TC_OBJECT:
    return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));
    ...
}

我们看到TC_OBJECTD中判断，调用了ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法，我们继续进入看源码：

private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)throws IOException{
    if (bin.readByte() != TC_OBJECT) {
   	 throw new InternalError();
    }
        ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
        desc.checkDeserialize();
        Class<?> cl = desc.forClass();
    if (cl == String.class || cl == Class.class
    || cl == ObjectStreamClass.class) {
    	throw new InvalidClassException("invalid class descriptor");
    }
    Object obj;
    try {
        obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
    } catch (Exception ex) {
        throw (IOException) new InvalidClassException(
        desc.forClass().getName(),
        "unable to create instance").initCause(ex);
    }
    ...
    return obj;
}

发现调用了ObjectStreamClass的isInstantiable()方法， 而isInstantiable()里面的代码如下：

boolean isInstantiable() {
    requireInitialized();
    return (cons != null);
}

代码非常简单，就是判断一下构造方法是否为空，构造方法不为空就返回true。意味着，只要有无参构造方法就会实例化。这时候，其实还没有找到为什么加上readResolve()方法就避免了单例被破坏的真正原因。我再回ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法继续往下看：

private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)throws IOException{
    if (bin.readByte() != TC_OBJECT) {
   	 throw new InternalError();
    }
    ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
    desc.checkDeserialize();
    Class<?> cl = desc.forClass();
    if (cl == String.class || cl == Class.class
    || cl == ObjectStreamClass.class) {
    	throw new InvalidClassException("invalid class descriptor");
    }
    Object obj;
    try {
   	 obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
    } catch (Exception ex) {
        throw (IOException) new InvalidClassException(
        desc.forClass().getName(),
        "unable to create instance").initCause(ex);
    }
    ...
    if (obj != null && handles.lookupException(passHandle) == null && desc.hasReadResolveMethod()){
        Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
        if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
        rep = cloneArray(rep);
    }
    if (rep != obj) {
  	  // Filter the replacement object
        if (rep != null) {
            if (rep.getClass().isArray()) {
           	 filterCheck(rep.getClass(), Array.getLength(rep));
            } else {
            	filterCheck(rep.getClass(), -1);
            }
            }
            handles.setObject(passHandle, obj = rep);
        }
    }
    return obj;
}

判断无参构造方法是否存在之后，又调用了hasReadResolveMethod()方法，来看代码：

boolean hasReadResolveMethod() {
    requireInitialized();
    return (readResolveMethod != null);
}

逻辑非常简单，就是判断 readResolveMethod 是否为空，不为空就返回 true。那么readResolveMethod 是在哪里赋值的呢？通过全局查找找到了赋值代码在私有方法ObjectStreamClass()方法中给readResolveMethod进行赋值，来看代码：

readResolveMethod = getInheritableMethod(
cl, "readResolve", null, Object.class);

上面的逻辑其实就是通过反射找到一个无参的readResolve()方法，并且保存下来。现在再 回 到 ObjectInputStream 的 readOrdinaryObject() 方 法 继 续 往 下 看 ， 如 果readResolve()存在则调用invokeReadResolve()方法，来看代码：

Object invokeReadResolve(Object obj) throws IOException, UnsupportedOperationException {
    requireInitialized();
    if (readResolveMethod != null) {
        try {
        	return readResolveMethod.invoke(obj, (Object[]) null);
        } catch (InvocationTargetException ex) {
        	Throwable th = ex.getTargetException();
            if (th instanceof ObjectStreamException) {
                throw (ObjectStreamException) th;
            } else {

                throwMiscException(th);
                throw new InternalError(th); // never reached
            }
        } catch (IllegalAccessException ex) {
            // should not occur, as access checks have been suppressed
            throw new InternalError(ex);
        }
    } else {
 	   throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

我们可以看到在invokeReadResolve()方法中用反射调用了readResolveMethod方法。通过JDK源码分析我们可以看出，虽然，增加readResolve()方法返回实例，解决了单例被破坏的问题。但是，我们通过分析源码以及调试，我们可以看到实际上实例化了两次，只不过新创建的对象没有被返回而已。那如果，创建对象的动作发生频率增大，就意味着内存分配开销也就随之增大，难道真的就没办法从根本上解决问题吗？下面我们来注册式单例也许能帮助到你。

注册式单例

注册式单例又称为登记式单例，就是将每一个实例都登记到某一个地方，使用唯一的标识获取实例。注册式单例有两种写法：一种为容器缓存，一种为枚举登记。先来看枚举式单例的写法，来看代码，创建EnumSingleton类：

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;
    }
}

来看测试代码：

public class EnumSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
    try {
            EnumSingleton instance1 = null;
            EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
            instance2.setData(new Object());
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(instance2);
            oos.flush();
            oos.close();
            FileInputStream fis = new FileInputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            instance1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
            ois.close();
            System.out.println(instance1.getData());
            System.out.println(instance2.getData());
            System.out.println(instance1.getData() == instance2.getData());
        }catch (Exception e){
      	  e.printStackTrace();
        }
    }
}
//运行结果为ture 具体为什么这么神奇 可以自己追源码探索下 这里不再赘述了