单例模式实现及线程安全

Posted 2021-05-01 程序员漫画编程

                                                                               

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来源：https://juejin.im/post/6856999318285615118

前言

单例应用的太广泛，大家应该都用过，本文主要是想聊聊线程安全的单例以及反序列化破坏单例的情况。

1、概念

确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

关键点：

1. 私有化构造函数

2. 通过一个静态方法或枚举返回单例类对象

3. 确保单例类的对象有且只有一个，尤其是多线程环境下

4. 确保单例类对象在反序列化时不会重新构建对象

2、实现

2.1、线程安全的单例

2.1.2、饿汉模式

饿汉模式：不管有没有调用getInstance方法，只要类加载了，我就给你new出来(a)

public class A {
 private static final A a = new A();
 public static A getInstance() { return a; }
 private A() {}}

以下两点保证了以上代码的线程安全：

1. 调用一个类的静态方法的时候会触发类的加载（如果类没加载过）

2. 类只会加载（被加载到虚拟机内存的过程，包括5个阶段）一次

3. static变量在类初始化的时候（类加载过程的最后一个阶段）会去赋值静态变量

2.1.2、懒汉模式

懒汉模式：延迟加载，用到再去new

public class B { private static volatile B b;
 public static synchronized B getInstance() { if (b == null) { b = new B(); } return b; }
 private B() { }}

要保证线程安全，最简单的方式是加同步锁。synchroized保证了多个线程串行的去调用getInstance(),既然是串行，那就不会存在什么线程安全问题了。但是这实现，每次读都要加锁，其实我们想要做的只是让他写（new）的时候加锁。

2.1.3、Double Check Lock (DCL)

public class B { private static volatile B b;
 public static synchronized B getInstance0() { if (b == null) { synchronized (B.class) { b = new B(); } } return b; }
 public static B getInstance() { if (b == null) { synchronized (B.class) { if (b == null) { b = new B(); } } } return b; }
 private B() { }}

为了解决懒汉模式的效率问题，我们改造成getInstance0()： 但还有个问题 X、Y 两个线程同时进入if (b == null), X先进同步代码块，new了一个B，返回。Y等到X释放锁之后，它也进了同步代码块，也会new一个B。

getInstance0()解决了效率问题，但它不是线程安全的。我们有进行了一次改造： getInstance()：

getInstance在同步块里面，又做了一次if (b == null)的判断，确保了Y线程不会再new B，保证了线程安全。

getInstance() 也正是所谓的双重检查锁定（double checked locking）。

这里还有一个关键点：private static volatile B b; b是用volatile修饰的。 这个主要是因为new 并不是原子的。

B b = new B();

可以简单的分解成一下步骤

1. 分配对象内存

2. 初始化对象

2.1.4、静态内部类单例模式

public class C { private C() {}
 public static C getInstance() { return CHolder.c; }
 private static class CHolder { private static final C c = new C(); }}

静态内部类的线程安全也是由jvm保证的，在调用Cholder.c的时候，去加载CHolder类，new 了一个c。

总的来说，这个方式比DCL还是高点的，因为DCL加了volatile，效率上还是略微有些些影响。

上面介绍的3种线程安全的单例，在有种极端的情况，单例模式有可能被破坏：反序列化

• Java序列化就是指把Java对象转换为字节序列的过程

• Java反序列化就是指把字节序列恢复为Java对象的过程。

反序列化的时候，会重新构造一个对象，破坏单例模式。我们看下代码验证下：

public class C1 implements Serializable { private C1() { System.out.println("构造方法"); }
 public static C1 getInstance() { return CHolder.c; }
 private static class CHolder { private static final C1 c = new C1(); }// 注意这块被注释的代码// private Object readResolve(){// System.out.println("read resolve");// return CHolder.c;// }
 public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException { C1 c = C1.getInstance(); System.out.println(c.toString()); try { ObjectOutputStream o = new ObjectOutputStream( new FileOutputStream("d:/tmp/c.out")); o.writeObject(c); o.close(); } catch(Exception e) { e.printStackTrace(); }
 C1 c1 = null, c2 = null;
 try { ObjectInputStream in =new ObjectInputStream( new FileInputStream("d:/tmp/c.out")); c1 = (C1)in.readObject(); in.close(); } catch(Exception e) { e.printStackTrace(); }
 try { ObjectInputStream in =new ObjectInputStream( new FileInputStream("d:/tmp/c.out")); c2 = (C1)in.readObject(); in.close(); } catch(Exception e) { e.printStackTrace(); }
 System.out.println("c1.equals(c2) : " + c1.equals(c2)); System.out.println("c1 == c2 : " + (c1 == c2)); System.out.println(c1); System.out.println(c2); }}

结果：

构造方法

[e-mail](c2) : falsec1 == c2 : [e-mail].C1@45ee12a7

放开注释的代码

构造方法

me.hhy.designpattern.singletonpattern.C1@1540e19dread resolveread resolvec1.equals(c2) : truec1 == c2 : [e-mail].C1@1540e19d

正如我们看到的那样，加上readResolve就解决了反序列化单例被破坏的问题。

当然，如果没实现Serializable接口，也就不会有这个被破坏的问题… 还是看场景。

关于readResolve的介绍，感兴趣的同学们可以看java.io.ObjectInputStream#readUnshared方法上的注释（博主看了，看得不是很明白，一知半解，就不误人子弟了）

而我们下面要介绍的枚举单例，并不会有这个问题。

2.1.5、枚举单例

public enum DEnum {
 INSTANCE;
 private D d;
 DEnum() { d = new D(); }
 public D getInstance() { return d; }}

public class D {}

复制代码

线程安全的保证：

• 枚举只能拥有私有的构造器

• 枚举类实际上是一个继承Enum的一个final类

• 上面的INSTANCE实际是被static final 修饰的

序列化不破坏单例的保证：

在序列化的时候Java仅仅是将枚举对象的name属性输出到结果中，反序列化的时候则是通过java.lang.Enum的valueOf方法来根据名字查找枚举对象。同时，编译器是不允许任何对这种序列化机制的定制的，因此禁用了writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法。

2.2 线程不安全的单例

2.2.1、懒汉模式

不过多介绍了，这个其实在线程安全的单例部分，我们介绍的比较详细了。

public class B { private static volatile B b;
 public static B getInstance() { if (b == null) { b = new B(); } return b; }
 private B() { }}

3. 总结

单例的应用实在是太多了，也没必要再去找源码种的经典使用（因为基本上大家用过）。

枚举单例构造方法还是public，并不是防止外部直接去new它。个人认为如果一个类要开放给外部使用，用内部类的形式实现单例是最合适的。

祝看完这篇文章的小伙伴收获满满！点个在看吧~~~三连来一波~~~

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