走进单例模式

Posted 2021-05-01 码匠读书

单例模式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。隐藏其所有的构造方法。

在Java开发过程中，很多场景下都会碰到或要用到单例模式，在设计模式里也是经常作为指导学习的热门模式之一，相信每位开发同事都用到过。我们总是沿着前辈的足迹去做设定好的思路，往往没去探究为何这么做，所以这篇文章对单例模式做了详解。

1、饿汉式单例

先来看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：

还有另外一种写法，利用静态代码块的机制：

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

2、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：

然后写一个线程类 ExectorThread 类：

客户端测试代码：

运行结果：

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。

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，使这个方法变成线程同步方法：

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。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。

3、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，以 LazyInnerClassSingleton 为例：

运行结果如下：

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：

再运行测试代码，会得到以下结果:

至此，史上最牛 B 的单例写法便大功告成。

4、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：

编写测试代码:

运行结果:

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：

再看运行结果：

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 ObjectInputStream 类的 readObject()方法，代码如下：

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：

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：

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

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。我再回到 ObjectInputStream 的 readOrdinaryObject()方法继续往下看：

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：

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：

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：

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。

5、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：

来看测试代码：

运行结果：

没有做任何处理，我们发现运行结果和我们预期的一样。那么枚举式单例如此神奇，它的神秘之处在哪里体现呢？下面我们通过分析源码来揭开它的神秘面纱。

解压后配置好环境变量（这里不做详细介绍），就可以使用命令行调用了。找到工程所

在的 class 目录，复制 EnumSingleton.class 所在的路径，如下图：

然后切回到命令行，切换到工程所在的 Class 目录，输入命令 jad 后面输入复制好的路径，我们会在 Class 目录下会多一个 EnumSingleton.jad 文件。打开 EnumSingleton.jad文件我们惊奇又巧妙地发现有如下代码：

原来，枚举式单例在静态代码块中就给 INSTANCE 进行了赋值，是饿汉式单例的实现。

至此，我们还可以试想，序列化我们能否破坏枚举式单例呢？我们不妨再来看一下 JDK源码，还是回到 ObjectInputStream 的 readObject0()方法

我们看到在 readObject0()中调用了 readEnum()方法，来看 readEnum()中代码实现：

我们发现枚举类型其实通过类名和 Class 对象类找到一个唯一的枚举对象。因此，枚举对象不可能被类加载器加载多次。那么反射是否能破坏枚举式单例呢？来看一段测试代码：

运行结果：

报的是 java.lang.NoSuchMethodException 异常，意思是没找到无参的构造方法。这时候，我们打开 java.lang.Enum 的源码代码，查看它的构造方法，只有一个 protected的构造方法，代码如下：

那我们再来做一个这样的测试：

运行结果：

这时错误已经非常明显了，告诉我们 Cannot reflectively create enum objects，不能用反射来创建枚举类型。还是习惯性地想来看看 JDK 源码，进入 Constructor 的newInstance()方法：

在newInstance()方法中做了强制性的判断，如果修饰符是 Modifier.ENUM 枚举类型，直接抛出异常。到这为止，我们是不是已经非常清晰明了呢？枚举式单例也是《Effective Java》书中推荐的一种单例实现写法。在 JDK 枚举的语法特殊性，以及反射也为枚举保驾护航，让枚举式单例成为一种比较优雅的实现。

接下来看注册式单例还有另一种写法，容器缓存的写法，创建ContainerSingleton 类：

容器式写法适用于创建实例非常多的情况，便于管理。但是，是非线程安全的。到此，注册式单例介绍完毕。我们还可以来看看 Spring 中的容器式单例的实现代码：

6、ThreadLocal线程单例

最后给大家赠送一个彩蛋，讲讲线程单例实现 ThreadLocal。ThreadLocal 不能保证其创建的对象是全局唯一，但是能保证在单个线程中是唯一的，天生的线程安全。下面我们来看代码

写一下测试代码：

运行结果：

我们发现，在主线程 main 中无论调用多少次，获取到的实例都是同一个，都在两个子线

程中分别获取到了不同的实例。那么 ThreadLocal 是如果实现这样的效果的呢？我们知

道上面的单例模式为了达到线程安全的目的，给方法上锁，以时间换空间。ThreadLocal

将所有的对象全部放在 ThreadLocalMap 中，为每个线程都提供一个对象，实际上是以

空间换时间来实现线程间隔离的。

单例模式小结

单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存开销；可以避免对资源的多重占用。

单例模式看起来非常简单，实现起来其实也非常简单。但是在面试中却是一个高频面试

题。希望小伙伴们通过本章的学习，对单例模式有非常深刻的掌握，在面试中彰显技术

深度，提升核心竞争力，给面试加分，顺利拿到 Offer。