最简单的设计模式——单例模式的演进和推荐写法（Java 版）

Posted 2021-02-07 dashuai的博客

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了最简单的设计模式——单例模式的演进和推荐写法（Java 版）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

前言

如下是之前总结的 C++ 版的；软件开发常用设计模式—单例模式总结（c++版），对比发现 Java 实现的单例模式和 C++ 的在线程安全上还是有些区别的。

概念不多说，没意思，我自己总结就是：

有这样一个类，该类在生命周期内有且只能有一个实例，该类必须自己创建自己的这个唯一实例，该类必须给所有其他对象提供这一实例（提供全局访问点），这样的类就叫单例类。

简单的说就是满足三个条件：

1、生命周期内有且只能有一个实例

2、自己提供这个独一无二的实例

3、该实例必须是能全局访问的

需要的考虑的细节

进一步，单例类，最好能实现懒加载，随用随生成，而不是初始化的时候就生成，提高启动速度和优化内存。

还有应该考虑并发环境下的场景，多线程的单例模式实现有什么难点，回答这个问题，必须先知道Java的内存模型，参考：JVM学习（3）——总结Java内存模型

考虑黑客会做反序列化的攻击

考虑黑客会做反射的攻击，因为反射可以访问私有方法

。。。

单线程环境下懒加载的单例

如果程序确认没有多线程的使用场景，完全可以简单一些写。

public class NoThreadSafeLazySingleton {
    private static NoThreadSafeLazySingleton lazySingleton = null;

    private NoThreadSafeLazySingleton() {
    }

    public static NoThreadSafeLazySingleton getLazySingleton() {
        if (lazySingleton == null) {
            lazySingleton = new NoThreadSafeLazySingleton();
        }

        return lazySingleton;
    }
}

很简单，但是只适用于单线程环境

线程安全的懒加载单例

原理也很简单，没什么可说的，如下示例代码：

public class ThreadSafeLazySingleton {
    private static volatile ThreadSafeLazySingleton lazySingleton = null;

    private ThreadSafeLazySingleton() {
    }

    public static ThreadSafeLazySingleton getLazySingleton() {
        if (lazySingleton == null) {
            synchronized (ThreadSafeLazySingleton.class) {
                if (lazySingleton == null) {
                    lazySingleton = new ThreadSafeLazySingleton();
                }
            }
        }

        return lazySingleton;
    }
}

主要是注意 volatile 关键字的使用，否则这种所谓双重检查的线程安全的单例是有 bug 的。参考：JVM学习（3）——总结Java内存模型

静态内部类方案

在某些情况中，JVM 隐含了同步操作，这些情况下就不用自己再来进行同步控制了。这些情况包括：

由静态初始化器（在静态字段上或static{}块中的初始化器）初始化数据时
访问final字段时
在创建线程之前创建对象时
线程可以看见它将要处理的对象时

在静态内部类里去创建本类（外部类）的对象，这样只要不使用这个静态内部类，那就不创建对象实例，从而同时实现延迟加载和线程安全。

public class Person {
    private String name;
    private Integer age;

    private Person() {
    }

    private Person(String name, Integer age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    // 在静态内部类里去创建本类（外部类）的对象
    public static Person getInstance() {
        return Holder.instatnce;
    }

    // 静态内部类相当于外部类 Person 的 static 域，它的对象与外部类对象间不存在依赖关系，因此可直接创建。
    // 因为静态内部类相当于其外部类 Person 的静态成员，所以在第一次被使用的时候才被会装载，且只装载一次。
    private static class Holder {
        // 内部类的对象实例 instatnce ，是绑定在外部 Person 对象实例中的
        // 静态内部类中可以定义静态方法，在静态方法中只能够引用外部类中的静态成员方法或者成员变量，比如 new Person
        // 使用静态初始化器来实现线程安全的单例类，它由 JVM 来保证线程安全性。
        private static final Person instatnce = new Person("John", 31);
    }
}

静态内部类相当于外部类 Person 的 static 域（静态成员），它的对象与外部类对象间不存在依赖关系，因此可直接创建。

既然，静态内部类相当于其外部类 Person 的静态成员，所以在第一次被使用的时候才被会装载，且只装载一次，实现了懒加载和单例。

而且，使用静态初始化器来实现单例类，是线程安全的，因为由 JVM 来保证线程安全性

客户端调用

    Person person = Person.getInstance();

该方案实现了，线程安全的单例 + 懒加载的单例，但是并不能防反序列化攻击，需要额外的加以约束。

反序列化攻击单例类

其实这个 case 没必要说太多，知道就行，因为哪里就这么巧，一个能序列化的类（实现了Serializable/Externalizable接口的类），就恰恰是单例的呢？

看下面例子，把 Person 类改造为能序列化的类，然后用反序列攻击单例

public class SerializationTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        Person person = Person.getInstance();
        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("person"));
        objectOutputStream.writeObject(person);

        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("person"));
        Person person1 = (Person) objectInputStream.readObject();

        System.out.println(person == person1); // false
    }
}

比较两个 person 实例地址，是 false，说明生成了两个对象，违背了单例类的初衷，那么为了能在序列化过程仍能保持单例的特性，可以在Person类中添加一个readResolve()方法，在该方法中直接返回Person的单例对象

    public Object readResolve() {
        return Holder.instatnce;
    }

原理是当从 I/O 流中读取对象时，ObjectInputStream 类里有 readResolve() 方法，该方法会被自动调用，期间经过种种逻辑，最后会调用到可序列化类里的 readResolve()方法，这样可以用 readResolve() 中返回的单例对象直接替换在反序列化过程中创建的对象，实现单例特性。

也就是说，无论如何，反序列化都会额外创建对象，只不过使用 readResolve() 方法可以替换之。

具体有关Java 对象的序列化可以参考笔记：深入理解Java对象序列化

反射攻击单例类

直接看例子，做法很简单，通过 Java 的反射机制，看看能不能拿到单例类的私有构造器，并且改变构造器的访问属性

public class ReflectTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException, ClassNotFoundException {
        Person person = Person.getInstance();

        Class clazz = Class.forName("com.dashuai.D13Singleton.Person");
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
//        constructor.setAccessible(true);
        Person person1 = (Person) constructor.newInstance();

        System.out.println(person == person1); // false
    }
}

运行抛出了异常：

但是，如果把注释的行打开，就不会出错，且打印 false。

网上有一些解决方案，比如在构造器里加判断，如果二次调用就抛出异常，其实也没从根本上解决问题。

解决所有问题的方案——枚举实现单例类

目前公认的最佳方案，代码极少，线程安全，防止反射和序列化攻击

public enum EnumSingleton {
    ENUM_SINGLETON;

    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}
////////////////////////调用
EnumSingleton.ENUM_SINGLETON.setName("dashuai");
System.out.println(EnumSingleton.ENUM_SINGLETON.getName());