史上最全单例模式的写法和破坏单例方式

Posted 2021-05-01 Java圈子

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了史上最全单例模式的写法和破坏单例方式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

今天跟大家讲一个老生常谈的话题，单例模式是最常用到的设计模式之一，熟悉设计模式的朋友对单例模式都不会陌生。

网上的文章也很多，但是参差不齐，良莠不齐，要么说的不到点子上，要么写的不完整，我试图写一篇史上最全单例模式，让你看一篇文章就够了。

单例模式定义及应用场景

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，并提供一个全局访问点。单例模式是创建型模式。许多时候整个系统只需要拥有一个全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为。

比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息。这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

我们写单例的思路是，隐藏其所有构造方法，提供一个全局访问点。

1、饿汉式

这个很简单，小伙们都写过，这个在类加载的时候就立即初始化，因为他很饿嘛，一开始就给你创建一个对象，这个是绝对线程安全的，在线程还没出现以前就实例化了，不可能存在访问安全问题。他的缺点是如果不用，用不着，我都占着空间，造成内存浪费。

public classHungrySingleton{
 private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();
 privateHungrySingleton() { }
 publicstatic HungrySingleton getInstance() { return hungrySingleton; }}

还有一种是饿汉式的变种，静态代码块写法，原理也是一样，只要是静态的，在类加载的时候就已经成功初始化了，这个和上面的比起来没什么区别，无非就是装个b，看起来比上面那种吊，因为见过的人不多嘛。

public classHungryStaticSingleton{
 private static final HungryStaticSingleton hungrySingleton;
 static { hungrySingleton = new HungryStaticSingleton(); }
 privateHungryStaticSingleton() { }
 publicstatic HungryStaticSingleton getInstance() { return hungrySingleton; }
}

2、懒汉式

简单懒汉

为了解决饿汉式占着茅坑不拉屎的问题，就产生了下面这种简单懒汉式的写法，一开始我先申明个对象，但是先不创建他，当用到的时候判断一下是否为空，如果为空我就创建一个对象返回，如果不为空则直接返回。

为什么叫懒汉式，就是因为他很懒啊，要等用到的时候才去创建，看上去很ok，但是在多线程的情况下会产生线程安全问题。

public class LazySimpleSingleton {
 private static LazySimpleSingleton instance;
 privateLazySimpleSingleton() { }
 publicstatic LazySimpleSingleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new LazySimpleSingleton(); } return instance; }
}

如果有两个线程同时执行到 if (instance==null) 这行代码，这是判断都会通过，然后各自会执行instance = new Singleton()，并各自返回一个instance，这时候就产生了多个实例，就没有保证单例，如下图所示。

史上最全单例模式的写法和破坏单例方式

怎么解决这个问题呢，很简单，加锁啊，加一下synchronized即可，这样就能保住线程安全问题了。

史上最全单例模式的写法和破坏单例方式

3、双重校验锁（DCL）

上面这样写法带来一个缺点，就是性能低，只有在第一次进行初始化的时候才需要进行并发控制，而后面进来的请求不需要在控制了，现在synchronized加在方法上，我管你生成没成生成，只要来了就得给我排队，所以这种性能是极其低下的，那怎么办呢？

我们知道，其实synchronized除了加在方法上，还可以加在代码块上，只要对生成对象的那一部分代码加锁就可以了，由此产生一种新的写法，叫做双重检验锁，我们看下面代码。

史上最全单例模式的写法和破坏单例方式

我们看19行将synchronized包在了代码块上，当 singleton == null 的时候，我们只对创建对象这一块逻辑进行了加锁控制，如果 singleton != null 的话，就直接返回，大大提升了效率。

在21行的时候又加了一个singleton == null，这又是为什么呢，原因是如果两个线程都到了18行，发现是空的，然后都进入到代码块，这里虽然加了synchronized，但作用只是进行one by one串行化，第一个线程往下走创建了对象，第二个线程等待第一个线程执行完毕后，我也往下走，于是乎又创建了一个对象，那还是没控制住单例，所以在21行当第二个线程往下走的时候在判断一次，是不是被别的线程已经创建过了，这个就是双重校验锁，进行了两次非空判断。

我们看到在11行的时候加了 volatile 关键字，这是用来防止指令重排的，当我们创建对象的时候会经过下面几个步骤，但是这几个步骤不是原子的，计算机比较聪明，有时候为了提高效率他不是按顺序1234执行的，可能是3214执行。

分配内存给这个对象
初始化对象
设置instance指向刚分配的内存地址
初次访问对象

最后说下双重校验锁，虽然提高了性能，但是在我看来不够优雅，折腾来折腾去，一会防这一会防那，尤其是对新手不友好，新手会不明白为什么要这么写。

4、静态内部类

上面已经将锁的粒度缩小到创建对象的时候了，但不管加在方法上还是加在代码块上，终究还是用到了锁，只要用到锁就会产生性能问题，那有没有不用锁的方式呢？

答案是有的，那就是静态内部类的方式，他其实是利用了java代码的一种特性，静态内部类在主类加载的时候是不会被加载的，只有当调用getInstance()方法的时候才会被加载进来进行初始化，代码如下

/** * @author jack xu * 兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾synchronized性能问题 */public classLazyInnerClassSingleton{
 privateLazyInnerClassSingleton() { }
 publicstaticfinal LazyInnerClassSingleton getInstance() { return LazyHolder.INSTANCE; }
 private static classLazyHolder{ private static final LazyInnerClassSingleton INSTANCE = new LazyInnerClassSingleton(); }
}

好，讲到这里我已经介绍了五种单例的写法，经过层层的演进推理，到第五种的时候已经是很完美的写法了，既兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾synchronized性能问题。

那他真的一定完美吗，其实不然，他还有一个安全的问题，接下来我们讲下单例的破坏，有两种方式反射和序列化。

单例的破坏

1、反射

我们知道在上面单例的写法中，在构造方法上加上private关键字修饰，就是为了不让外部通过new的方式来创建对象，但还有一种暴力的方法，我就是不走寻常路，你不让我new是吧，我反射给你创建出来，代码如下

/** * @author jack xu */public classReflectDestroyTest{
 public static void main(String[] args) { try { Class<?> clazz = LazyInnerClassSingleton.class; Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null); c.setAccessible(true); Object o1 = c.newInstance(); Object o2 = c.newInstance(); System.out.println(o1 == o2); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }}

史上最全单例模式的写法和破坏单例方式

那么如何防止反射呢，很简单，就是在构造方法中加一个判断

public classLazyInnerClassSingleton{
 privateLazyInnerClassSingleton() { if (LazyHolder.INSTANCE != null) { throw new RuntimeException("不要试图用反射破坏单例模式"); } }
 publicstaticfinal LazyInnerClassSingleton getInstance() { return LazyHolder.INSTANCE; }
 private static classLazyHolder{ private static final LazyInnerClassSingleton INSTANCE = new LazyInnerClassSingleton(); }}

在看结果，防止反射成功，当调用构造方法时，发现单例实例对象已经不为空了，抛出异常，不让你在继续创建了。

史上最全单例模式的写法和破坏单例方式

2、序列化

接下来介绍单例的另一种破坏方式，先在静态内部类上实现Serializable接口，然后写个测试方法测试下，先创建一个对象，然后把这个对象先序列化，然后在反序列化出来，然后对比一下

 publicstaticvoidmain(String[] args) {
 LazyInnerClassSingleton s1 = null; LazyInnerClassSingleton s2 = LazyInnerClassSingleton.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 = (LazyInnerClassSingleton) ois.readObject(); ois.close();
 System.out.println(s1); System.out.println(s2); System.out.println(s1 == s2);
 } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }

我们来看结果发现是false，在进行反序列化时，在ObjectInputStream的readObject生成对象的过程中，其实会通过反射的方式调用无参构造方法新建一个对象，所以反序列化后的对象和手动创建的对象是不一致的。

史上最全单例模式的写法和破坏单例方式

那么怎么避免呢，依然很简单，在静态内部类里加一个readResolve方法即可

 private Object readResolve() { return LazyHolder.INSTANCE; }

在看结果就变成true了，为什么加了一个方法就可以避免被序列化破坏呢，这里不在展开，感兴趣的小伙伴可以看下ObjectInputStream的readObject()方法，一步步往下走，会发现最终会调用readResolve()方法。

史上最全单例模式的写法和破坏单例方式

至此，史上最牛b单例产生，已经无懈可击、无可挑剔了。

3、枚举

那么这里我为什么还要在介绍枚举呢，在《Effective Java》中，枚举是被推荐的一种方式，因为他足够简单，线程安全，也不会被反射和序列化破坏。

大家看下才寥寥几句话，不像上面虽然已经实现了最牛b的写法，但是其中的过程很让人烦恼啊，要考虑性能、内存、线程安全、破坏啊，一会这里加代码一会那里加代码，才能达到最终的效果。

而使用枚举，感兴趣的小伙伴可以反编译看下，枚举的底层其实还是一个class类，而我们考虑的这些问题JDK源码其实帮我们都已经实现好了，所以在 java 层面我们只需要用三句话就能搞定！

public enum Singleton { INSTANCE; publicvoidwhateverMethod() { }}

至此，我通过层层演进，由浅入深的给大家介绍了单例的这么多写法，从不完美到完美，这么多也是网上很常见的写法，下面我在送大家两个彩蛋，扩展一下其他写单例的方式方法。

彩蛋

1、容器式单例

容器式单例是我们 spring 中管理单例的模式，我们平时在项目中会创建很多的Bean，当项目启动的时候spring会给我们管理，帮我们加载到容器中，他的思路方式方法如下。

public classContainerSingleton{ private ContainerSingleton() { }
 private static Map<String, Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String, Object>();
 public static Object getInstance(String className) { Object instance = null; if (!ioc.containsKey(className)) { try { instance = Class.forName(className).newInstance(); ioc.put(className, instance); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } return instance; } else { return ioc.get(className); } }}

这个可以说是一个简易版的 spring 管理容器，大家看下这里用一个map来保存对象，当对象存在的时候直接从map里取出来返回出去，如果不存在先用反射创建一个对象出来，先保存到map中然后在返回出去。

我们来测试一下，先创建一个Pojo对象，然后两次从容器中去取出来，比较一下，发现结果是true，证明两次取出的对象是同一个对象。

史上最全单例模式的写法和破坏单例方式

但是这里有一个问题，这样的写法是线程不安全的，那么如何做到线程安全呢，这个留给小伙伴自行独立思考完成。

2、CAS单例

从一道面试题开始：不使用synchronized和lock，如何实现一个线程安全的单例？我们知道，上面讲过的所有方式中，只要是线程安全的，其实都直接或者间接用到了synchronized，间接用到是什么意思呢，就比如饿汉式、静态内部类、枚举，其实现原理都是利用借助了类加载的时候初始化单例，即借助了ClassLoader的线程安全机制。

所谓ClassLoader的线程安全机制，就是ClassLoader的loadClass方法在加载类的时候使用了synchronized关键字。也正是因为这样，除非被重写，这个方法默认在整个装载过程中都是同步的，也就是保证了线程安全。

那么答案是什么呢，就是利用CAS乐观锁，他虽然名字中有个锁字，但其实是无锁化技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试，代码如下：

/** * @author jack xu */public class CASSingleton { private static final AtomicReference<CASSingleton> INSTANCE = new AtomicReference<CASSingleton>();
 privateCASSingleton() { }
 publicstatic CASSingleton getInstance() { for (; ; ) { CASSingleton singleton = INSTANCE.get(); if (null != singleton) { return singleton; }
 singleton = new CASSingleton(); if (INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) { return singleton; } } }}