「每天一个知识点」深刻理解单例模式

Posted 2021-05-01 广东互动学堂

————— 第二天 —————

单例模式第一版：

为什么这样写呢？我们来解释几个关键点：

1.要想让一个类只能构建一个对象，自然不能让它随便去做new操作，因此Signleton的构造方法是私有的。

2.instance是Singleton类的静态成员，也是我们的单例对象。它的初始值可以写成Null，也可以写成new Singleton()。至于其中的区别后来会做解释。

3.getInstance是获取单例对象的方法。

如果单例初始值是null，还未构建，则构建单例对象并返回。这个写法属于单例模式当中的懒汉模式。

如果单例对象一开始就被new Singleton()主动构建，则不再需要判空操作，这种写法属于饿汉模式。

这两个名字很形象：饿汉主动找食物吃，懒汉躺在地上等着人喂。

为什么说刚才的代码不是线程安全呢？

假设Singleton类刚刚被初始化，instance对象还是空，这时候两个线程同时访问getInstance方法：

因为Instance是空，所以两个线程同时通过了条件判断，开始执行new操作：

这样一来，显然instance被构建了两次。让我们对代码做一下修改：

单例模式第二版：

为什么这样写呢？我们来解释几个关键点：

1.为了防止new Singleton被执行多次，因此在new操作之前加上Synchronized 同步锁，锁住整个类（注意，这里不能使用对象锁）。

2.进入Synchronized 临界区以后，还要再做一次判空。因为当两个线程同时访问的时候，线程A构建完对象，线程B也已经通过了最初的判空验证，不做第二次判空的话，线程B还是会再次构建instance对象。

像这样两次判空的机制叫做双重检测机制。

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假设这样的场景，当两个线程一先一后访问getInstance方法的时候，当A线程正在构建对象，B线程刚刚进入方法：

这种情况表面看似没什么问题，要么Instance还没被线程A构建，线程B执行 if（instance == null）的时候得到true；要么Instance已经被线程A构建完成，线程B执行 if（instance == null）的时候得到false。

真的如此吗？答案是否定的。这里涉及到了JVM编译器的指令重排。

指令重排是什么意思呢？比如java中简单的一句 instance = new Singleton，会被编译器编译成如下JVM指令：

memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间

ctorInstance(memory); //2：初始化对象

但是这些指令顺序并非一成不变，有可能会经过JVM和CPU的优化，指令重排成下面的顺序：

memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间

ctorInstance(memory); //2：初始化对象

当线程A执行完1,3,时，instance对象还未完成初始化，但已经不再指向null。此时如果线程B抢占到CPU资源，执行 if（instance == null）的结果会是false，从而返回一个没有初始化完成的instance对象。如下图所示：

如何避免这一情况呢？我们需要在instance对象前面增加一个修饰符volatile。

单例模式第三版：

The volatile keyword indicates that a value may change between different accesses, it prevents an optimizing compiler from optimizing away subsequent reads or writes and thus incorrectly reusing a stale value or omitting writes.

经过volatile的修饰，当线程A执行instance = new Singleton的时候，JVM执行顺序是什么样？始终保证是下面的顺序：

memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间

ctorInstance(memory); //2：初始化对象

如此在线程B看来，instance对象的引用要么指向null，要么指向一个初始化完毕的Instance，而不会出现某个中间态，保证了安全。

用静态内部类实现单例模式：

这里有几个需要注意的点：

1.从外部无法访问静态内部类LazyHolder，只有当调用Singleton.getInstance方法的时候，才能得到单例对象INSTANCE。

2.INSTANCE对象初始化的时机并不是在单例类Singleton被加载的时候，而是在调用getInstance方法，使得静态内部类LazyHolder被加载的时候。因此这种实现方式是利用classloader的加载机制来实现懒加载，并保证构建单例的线程安全。

如何利用反射打破单例模式的约束？其实很简单，我们来看下代码。

利用反射打破单例：

//获得构造器Constructor con = Singleton.class.getDeclaredConstructor();//设置为可访问con.setAccessible(true);//构造两个不同的对象Singleton singleton1 = (Singleton)con.newInstance();Singleton singleton2 = (Singleton)con.newInstance();//验证是否是不同对象System.out.println(singleton1.equals(singleton2));

代码可以简单归纳为三个步骤：

第一步，获得单例类的构造器。

第二步，把构造器设置为可访问。

第三步，使用newInstance方法构造对象。

最后为了确认这两个对象是否真的是不同的对象，我们使用equals方法进行比较。毫无疑问，比较结果是false。

用枚举实现单例模式：

public enum SingletonEnum { INSTANCE;}

让我们来做一个实验，仍然执行刚才的反射代码：

//获得构造器Constructor con = SingletonEnum.class.getDeclaredConstructor();//设置为可访问con.setAccessible(true);//构造两个不同的对象SingletonEnum singleton1 = (SingletonEnum)con.newInstance();SingletonEnum singleton2 = (SingletonEnum)con.newInstance();//验证是否是不同对象System.out.println(singleton1.equals(singleton2));

执行获得构造器这一步的时候，抛出了如下异常：

Exception in thread "main" java.lang.NoSuchMethodException: com.xiaohui.singleton.test.SingletonEnum.<init>()

at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:2892)

at java.lang.Class.getDeclaredConstructor(Class.java:2058)

at com.xiaohui.singleton.test.SingletonTest.main(SingletonTest.java:22)

at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)

at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)

at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)

at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)

at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:134)

几点补充：

1. volatile关键字不但可以防止指令重排，也可以保证线程访问的变量值是主内存中的最新值。有关volatile的详细原理，我在以后的漫画中会专门讲解。

2.使用枚举实现的单例模式，不但可以防止利用反射强行构建单例对象，而且可以在枚举类对象被反序列化的时候，保证反序列的返回结果是同一对象。

对于其他方式实现的单例模式，如果既想要做到可序列化，又想要反序列化为同一对象，则必须实现readResolve方法。

来源丨java全栈技术