参考:
https://www.cnblogs.com/happy4java/p/11206105.html
https://blog.csdn.net/jason0539/article/details/23297037
https://blog.csdn.net/justloveyou_/article/details/64127789
https://www.cnblogs.com/xz816111/p/8470048.html
Java单例模式:为什么我强烈推荐你用枚举来实现单例模式
单例模式简介
单例模式是 Java 中最简单,也是最基础,最常用的设计模式之一。在运行期间,保证某个类只创建一个实例,保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。下面就来讲讲Java中的N种实现单例模式的写法。
饿汉式
public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
这是实现一个安全的单例模式的最简单粗暴的写法,这种实现方式我们称之为饿汉式。之所以称之为饿汉式,是因为肚子很饿了,想马上吃到东西,不想等待生产时间。这种写法,在类被加载的时候就把Singleton实例给创建出来了。
饿汉式的缺点就是,可能在还不需要此实例的时候就已经把实例创建出来了,没起到lazy loading的效果。优点就是实现简单,而且安全可靠。
懒汉式
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
相比饿汉式,懒汉式显得没那么“饿”,在真正需要的时候再去创建实例。在getInstance方法中,先判断实例是否为空再决定是否去创建实例,看起来似乎很完美,但是存在线程安全问题。在并发获取实例的时候,可能会存在构建了多个实例的情况。所以,需要对此代码进行下改进。
public class SingletonSafe {
private static volatile SingletonSafe singleton;
private SingletonSafe() {
}
public static SingletonSafe getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (SingletonSafe.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new SingletonSafe();
}
}
}
return singleton;
}
}
这里采用了双重校验的方式,对懒汉式单例模式做了线程安全处理。通过加锁,可以保证同时只有一个线程走到第二个判空代码中去,这样保证了只创建 一个实例。这里还用到了volatile关键字来修饰singleton,其最关键的作用是防止指令重排。
静态内部类
public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static Singleton instance = new Singleton();
}
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
}
}
通过静态内部类的方式实现单例模式是线程安全的,同时静态内部类不会在Singleton类加载时就加载,而是在调用getInstance()方法时才进行加载,达到了懒加载的效果。
似乎静态内部类看起来已经是最完美的方法了,其实不是,可能还存在反射攻击或者反序列化攻击。且看如下代码:
public static void main(String[] args) throws Exception {
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
Singleton newSingleton = constructor.newInstance();
System.out.println(singleton == newSingleton);
}
运行结果:
通过结果看,这两个实例不是同一个,这就违背了单例模式的原则了。
除了反射攻击之外,还可能存在反序列化攻击的情况。如下:
引入依赖:
<dependency>
<groupId>org.apache.commons</groupId>
<artifactId>commons-lang3</artifactId>
<version>3.8.1</version>
</dependency>
这个依赖提供了序列化和反序列化工具类。
Singleton类实现java.io.Serializable接口。
如下:
public class Singleton implements Serializable {
private static class SingletonHolder {
private static Singleton instance = new Singleton();
}
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
}
public static void main(String[] args) {
Singleton instance = Singleton.getInstance();
byte[] serialize = SerializationUtils.serialize(instance);
Singleton newInstance = SerializationUtils.deserialize(serialize);
System.out.println(instance == newInstance);
}
}
运行结果:
通过枚举实现单例模式
在effective java(这本书真的很棒)中说道,最佳的单例实现模式就是枚举模式。利用枚举的特性,让JVM来帮我们保证线程安全和单一实例的问题。除此之外,写法还特别简单。
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void doSomething() {
System.out.println("doSomething");
}
}
调用方法:
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Singleton.INSTANCE.doSomething();
}
}
直接通过Singleton.INSTANCE.doSomething()的方式调用即可。方便、简洁又安全。
总结
以上列举了多种单例模式的写法,分析了其利弊之处。同时还介绍了目前最佳的单例写法——枚举模式,相信在未来,枚举模式的单例写法也会越来越流行。
一般情况下,懒汉式(包含线程安全和线程不安全梁总方式)都比较少用;饿汉式和双检锁都可以使用,可根据具体情况自主选择;在要明确实现 lazy loading 效果时,可以考虑静态内部类的实现方式;若涉及到反序列化创建对象时,大家也可以尝试使用枚举方式。Java中的双重检查锁(double checked locking)
在实现单例模式时,如果未考虑多线程的情况,就容易写出下面的错误代码:
public class Singleton {
private static Singleton uniqueSingleton;
private Singleton() {
}
public Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton();
}
return uniqueSingleton;
}
}
在多线程的情况下,这样写可能会导致uniqueSingleton
有多个实例。比如下面这种情况,考虑有两个线程同时调用getInstance()
:
Time | Thread A | Thread B |
---|---|---|
T1 | 检查到uniqueSingleton 为空 |
|
T2 | 检查到uniqueSingleton 为空 |
|
T3 | 初始化对象A |
|
T4 | 返回对象A |
|
T5 | 初始化对象B |
|
T6 | 返回对象B |
可以看到,uniqueSingleton
被实例化了两次并且被不同对象持有。完全违背了单例的初衷。
加锁
出现这种情况,第一反应就是加锁,如下:
public class Singleton {
private static Singleton uniqueSingleton;
private Singleton() {
}
public synchronized Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton();
}
return uniqueSingleton;
}
}
这样虽然解决了问题,但是因为用到了synchronized
,会导致很大的性能开销,并且加锁其实只需要在第一次初始化的时候用到,之后的调用都没必要再进行加锁。
双重检查锁
双重检查锁(double checked locking)是对上述问题的一种优化。先判断对象是否已经被初始化,再决定要不要加锁。
错误的双重检查锁
public class Singleton {
private static Singleton uniqueSingleton;
private Singleton() {
}
public Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
synchronized (Singleton.class) {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton(); // error
}
}
}
return uniqueSingleton;
}
}
如果这样写,运行顺序就成了:
- 检查变量是否被初始化(不去获得锁),如果已被初始化则立即返回。
- 获取锁。
- 再次检查变量是否已经被初始化,如果还没被初始化就初始化一个对象。
执行双重检查是因为,如果多个线程同时了通过了第一次检查,并且其中一个线程首先通过了第二次检查并实例化了对象,那么剩余通过了第一次检查的线程就不会再去实例化对象。
这样,除了初始化的时候会出现加锁的情况,后续的所有调用都会避免加锁而直接返回,解决了性能消耗的问题。
隐患
上述写法看似解决了问题,但是有个很大的隐患。实例化对象的那行代码(标记为error的那行),实际上可以分解成以下三个步骤:
- 分配内存空间
- 初始化对象
- 将对象指向刚分配的内存空间
但是有些编译器为了性能的原因,可能会将第二步和第三步进行重排序,顺序就成了:
- 分配内存空间
- 将对象指向刚分配的内存空间
- 初始化对象
现在考虑重排序后,两个线程发生了以下调用:
Time | Thread A | Thread B |
---|---|---|
T1 | 检查到uniqueSingleton 为空 |
|
T2 | 获取锁 | |
T3 | 再次检查到uniqueSingleton 为空 |
|
T4 | 为uniqueSingleton 分配内存空间 |
|
T5 | 将uniqueSingleton 指向内存空间 |
|
T6 | 检查到uniqueSingleton 不为空 |
|
T7 | 访问uniqueSingleton (此时对象还未完成初始化) |
|
T8 | 初始化uniqueSingleton |
在这种情况下,T7时刻线程B对uniqueSingleton
的访问,访问的是一个初始化未完成的对象。
正确的双重检查锁
public class Singleton {
private volatile static Singleton uniqueSingleton;
private Singleton() {
}
public Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
synchronized (Singleton.class) {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton();
}
}
}
return uniqueSingleton;
}
}
为了解决上述问题,需要在uniqueSingleton
前加入关键字volatile
。使用了volatile关键字后,重排序被禁止,所有的写(write)操作都将发生在读(read)操作之前。
至此,双重检查锁就可以完美工作了。
参考资料: