JAVA设计模式（6：单例模式详解）
Posted 蔡小明
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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JAVA设计模式（6：单例模式详解）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
单例模式作为一种创建型模式，在日常开发中用处极广，我们先来看一一段代码：
// 构造函数
protected Calendar(TimeZone var1, Locale var2) {
this.lenient = true;
this.sharedZone = false;
this.nextStamp = 2;
this.serialVersionOnStream = 1;
this.fields = new int[17];
this.isSet = new boolean[17];
this.stamp = new int[17];
this.zone = var1;
this.setWeekCountData(var2);
}
// 提供 Calendar 类实例的方法
public static Calendar getInstance(){
return createCalendar(TimeZone.getDefault(), Locale.getDefault(Locale.Category.FORMAT));
}
看过上一篇博客Java设计模式（5：工厂模式详解）的朋友应该熟悉这段来自JDK中Calendar类的代码，这就是单例模式的一种实现：
Calendar类的构造函数被protected修饰，保证其不能被其他包下的类访问。getInstance()方法提供了获得Calendar类实例化对象的方法。
从上述代码来看，我们可以认定实现单例模式需要满足两个基本原则：
- 类的构造函数私有化。
- 该类需要提供一个获得实例的全局访问点。
所以可以得出结论：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，并提供一个全局的访问点。
得出结论后，再来看看实现。在java语言当中，两种方式构建单例模式：饿汉式单例和懒汉式单例。
一、饿汉式单例
// 饿汉式单例
public class HungrySingleton {
// 构造函数私有化
private HungrySingleton() {}
private static final HungrySingleton singleton = new HungrySingleton();
// 提供一个全局的访问点
public static HungrySingleton getInstance(){
return singleton;
}
}
饿汉式单例是在类加载的时候就立即初始化，并且创建了单例对象。在上述代码中，当HungrySingleton类在被类加载器加载时，它的实例对象singleton就已经创建完成了；并且根据类的加载机制，我们明白：singleton作为HungrySingleton类中的一个静态的声明对象，在HungrySingleton类第一次被类加载器加载时就已经创建完成，并且只会创建这一次。这就保证了无论getInstance()方法被调用多少次，返回的都是同一个singleton实例；保证了线程的绝对安全，不会出现访问安全的问题。
但也正式因为singleton实例在HungrySingleton类第一次被类加载器加载时就已经创建完成，若getInstance()方法不被任何地方调用，那么singleton实例就会一直占着内存空间，白白浪费了资源。所以引申出了另一种构建单例模式的方式：懒汉式单例
二、懒汉式单例
懒汉式单例的特点是只有在类的全局访问点被访问的时候，类的实例化对象才会创建。
// 懒汉式单例
public class LazySingleton {
// 构造函数私有化
private LazySingleton() {}
private static LazySingleton lazySingleton = null;
// 全局访问点
public static LazySingleton getInstance(){
if (lazySingleton == null){
lazySingleton = new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}
在上述代码中，只有当getInstance()方法被调用时，才会去创建lazySingleton实例。这样就解决了饿汉式模式中的资源占用问题，但同样引申出了另一个问题：线程安全问题。
我们先来创建一个属于我们自己的线程类LazyThread：
// 线程
public class LazyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
// 打印 线程名字 和 instance实例的内存地址
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +instance);
}
}
调用：
// 创建两个线程
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(new LazyThread());
Thread thread2 = new Thread(new LazyThread());
thread1.start();
thread2.start();
}
我们采用debug模式调试一下，先和下图一般，在LazySingleton类中打一个断点。
再用鼠标右键点击断点的位置（红色圆点的位置），打开如下图的框之后，先选择红框中的Thread模式，再点击蓝框中的Done按钮。
做完上述的操作之后，我们来用debug模式运行一下main方法
上图红框中内容就是我们所创建的两个线程，目前是Thread-0线程在运行。我们将Thread-0线程运行到lazySingleton = new LazySingleton()这行代码的位置（图1），然后切换为Thread-1线程，并将Thread-1线程同样运行到此位置（图2）：
图1：
图2：
最后：切换回Thread-0线程，并全部放开，让代码一直运行下去；并对Thread-1做出同样的操作。打印出结果：
通过结果可以看出，两个线程获得的lazySingleton实例所对应的内存地址不相同，显然不符合单例模式中的只有一个实例的原则。
那有什么办法可以保证懒汉式模式在线程环境下安全呢？有，而且很简单，加锁。我们来给getInstance()方法加上锁：
// 懒汉式
public class LazySingleton {
// 私有化构造函数
private LazySingleton() {}
private static LazySingleton lazySingleton = null;
// 加锁
public synchronized static LazySingleton getInstance(){
if (lazySingleton == null){
lazySingleton = new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}
我们再用上述的方式来debug调试一下：
在线程Thread-1进入getInstance()方法内部的时候，线程Thread-0处于MONITOR锁监控的状态。将线程Thread-1运行完后，Thread-0进入getInstance()方法内部，状态更新为RUNNING运行状态。
而此时我们可以看出lazySingleton已经有值了，所以我们将线程Thread-0运行完后，两个线程会打印出一样的结果：
由结果我们可以看出，在给getInstance()方法加上锁之后，线程安全的问题便解决了。但依然可以继续来优化这段懒汉式单例模式的代码。
// 懒汉式
public class LazySingleton {
// 私有化构造函数
private LazySingleton() {}
// volatile 关键字 解决重排序的问题
private volatile static LazySingleton lazySingleton = null;
public static LazySingleton getInstance(){
if (lazySingleton == null){
// 锁代码块
synchronized (LazySingleton.class) {
if (lazySingleton == null){
lazySingleton = new LazySingleton();
}
}
}
return lazySingleton;
}
}
这种方式被称为双重检查锁，它有着以下两点的好处：
- 线程由基于
LazySingleton整个类的阻塞变为在getInstance()方法内部的阻塞。锁的颗粒度变得更细，锁的代码块变得更小了。 - 第一重的
if判断，直接分流了一部分在lazySingleton实例化后在进入getInstance()方法的线程，提高了效率。
但是，只要涉及到加锁的问题，对程序的性能或多或少都有影响，那么有没有不加锁的方式呢？当然也是有的，那就是以类的初始化角度来考虑，使用内部类的方式。
三、静态内部类实现单例模式
// 懒汉式模式 和 饿汉式模式 兼顾
public class InnerClassSingleton {
// 私有化构造函数
private InnerClassSingleton(){}
public static InnerClassSingleton getInstance(){
return SingletonHolder.singleton;
}
// 静态内部类
private static class SingletonHolder{
private static final InnerClassSingleton singleton = new InnerClassSingleton();
}
}
这种方式兼顾了懒汉式模式和饿汉式模式，根据类的加载机制来说，静态内部类SingletonHolder不会随着外部类InnerClassSingleton的加载而加载，只会在被调用时才会加载。
这里外部类InnerClassSingleton在被类加载器加载后，并不会去进一步加载SingletonHolder类，从而也不会去实例化singleton，也就避免了资源浪费的情况。而在getInstance()方法第一次被调用时，内部类SingletonHolder才会加载，SingletonHolder类中声明的静态对象singleton才会被实例化；后面每一次调用getInstance()方法时，返回的都是此singleton对象，保证了只有一个实例化对象的原则。
四、用反射的方式来破坏单例
讲完单例模式的几种实现方式之后，我们来讲一讲破坏单例的方式；虽然日常开发中不会怎么用到，但对面试来说，可以说是一个必考点。多了解了解，总会有意想不到的用处。
public static void main(String[] args) {
try {
// 用反射获得 InnerClassSingleton 类的实例
Class clazz = InnerClassSingleton.class;
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
// 强制访问
constructor.setAccessible(true);
InnerClassSingleton instance1 = (InnerClassSingleton)constructor.newInstance();
// 单例模式获取
InnerClassSingleton instance2 = InnerClassSingleton.getInstance();
System.out.println("利用反射得到的实例对象："+instance1);
System.out.println("单例模式的实例对象："+instance2);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
上述的测试代码，我分别用反射的方式和单例的方式来获得InnerClassSingleton类的实例，最后打印出来，看一看结果：
可以看出，两次创建的InnerClassSingleton类的实例又不相同了。那怎么杜绝这种办法呢？我们可以来优化一下上述的静态内部类的代码：
// 懒汉式模式 和 饿汉式模式 兼顾
public class InnerClassSingleton {
// 私有化构造函数
private InnerClassSingleton(){
if (SingletonHolder.singleton != null){
throw new RuntimeException("不能以这种方式来获得实例对象......");
}
}
public static InnerClassSingleton getInstance(){
return SingletonHolder.singleton;
}
// 静态内部类
private static class SingletonHolder{
private static final InnerClassSingleton singleton = new InnerClassSingleton();
}
}
主要看私有构造函数中的代码，我们将这里做了限制，当被外界调用时，直接抛出异常！测试的结果也如我们所愿：
五、用序列化的方式破坏单例
除了反射之外，用序列化的方式也能破坏单例，达到创建不一样的类的实例的效果。
先将InnerClassSingleton类实现序列化接口：
// 懒汉式模式 和 饿汉式模式 兼顾
public class InnerClassSingleton implements Serializable {
// ....... 中间的代码查看上面的代码
}
编写测试代码：
public static void main(String[] args) {
try {
InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("singleton.obj");
ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(fos);
objectOutputStream.writeObject(instance1);
objectOutputStream.flush();
objectOutputStream.close();
fos.close();
FileInputStream fis = new FileInputStream("singleton.obj");
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(fis);
InnerClassSingleton instance2 = (InnerClassSingleton)objectInputStream.readObject();
objectInputStream.close();
fis.close();
System.out.println("利用单例获得实例："+instance1);
System.out.println("利用序列化获取的实例："+instance2);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
在上面的代码中，我们先获得InnerClassSingleton类的实例instance1，再将instance1写入singleton.obj文件当中；然后再从中取出来，转化为实例instance2；最后将instance1和instance2打印出来：
可以看出，两次创建的InnerClassSingleton类的实例又不相同了。那么这种方式的解决方案是什么呢？也不难，只需要加上一个方法就好了：
public class InnerClassSingleton implements Serializable {
// ....... 代码省略
// 加上 readResolve() 方法
private Object readResolve(){
return SingletonHolder.singleton;
}
// 静态内部类
private static class SingletonHolder{
private static final InnerClassSingleton singleton = new InnerClassSingleton();
}
}
再加上readResolve()之后，再来测试一下：
可以看出，两次创建的实例完全相同，完美的解决了序列化的问题。那么为什么加上readResolve()就会解决这个问题呢？这里和JDK的源码有关，我这里就不贴源码了，不便于观看，我这里画了一个时序图，大家可以跟着这个时序图来对照JDK源码进行查看，了解内情。
1、先从编写的测试代码里面进入ObjectInputStream类中的readObject()方法
2、实序图
以实序图来看，其实方法内部还是创建了一次InnerClassSingleton类的实例，不过是后面用调用readResolve()方法获得的InnerClassSingleton类的实例将它替换掉了，所以打印出的结果依旧是相同的。总体来说，还是白白消耗了内存，那么再来看另一种创建单例的方式。
六、注册式单例
注册式单例又被称为登记式单例，大体分为枚举登记和容器缓存两种。
6.1 枚举登记
public enum EnumSingleton {
INSTANCE;
// 用来测试对象是否相同
private Object data;
public Object getData() {
return data;
}
public void setData(Object data) {
this.data = data;
}
public static EnumSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
}
6.1.1 序列化破坏
将上面的测试代码稍微更改一下：
public static void main(String[] args) {
try {
EnumSingleton instance1 = EnumSingleton.getInstance();
instance1.setData(new Object());
// ....... 查看 五、用序列化的方式破坏单例 的测试代码
EnumSingleton instance2 = (EnumSingleton)objectInputStream.readObject();
objectInputStream.close();
fis.close();
System.out.println("利用单例获得实例："+instance1.getData());
System.out.println("利用序列化获取的实例："+instance2.getData());
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
结果：
由结果可以看出是可行的，那么原理是什么呢？通过上述实序图的方式查看源码：
1、ObjectInputStream类中的readObject0()方法：
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
// ...... 省略代码
// 如果是枚举类
case TC_ENUM:
return checkResolve(readEnum(unshared));
// ......
}
2、readEnum()方法
private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException {
// ......
if (cl != null) {
try {
// 通过Class对象 c1 和 类名 name 来获得唯一的枚举对象
@SuppressWarnings("unchecked")
Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name);
result = en;
} catch (IllegalArgumentException ex) {
throw (IOException) new InvalidObjectException(
"enum constant " + name + " does not exist in " +
cl).initCause(ex);
}
if (!unshared) {
handles.setObject(enumHandle, result);
}
}
// ......
}
通过查看源码发现，枚举类型其实通过Class 对象类和类名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。
6.1.2 反射破坏
测试代码：
public static void main(String[] args) {
try {
Class clazz = EnumSingleton.class;
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
// 强制访问
constructor.setAccessible(true);
EnumSingleton instance1 = (EnumSingleton)constructor.newInstance();
EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
System.out.println("利用反射得到的实例对象："+instance1);
System.out.println("单例模式的实例对象："+instance2);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
结果：
它竟然报出java.lang.NoSuchMethodException，意思是没有找到对应的无参的构造函数，这是为什么呢？不急，让我们将EnumSingleton.class这个文件反编译一下（这里使用的是jad反编译工具，不会的同学去网上搜教程，这里不详细讲解了），得到一个EnumSingleton.jad文件，打开文件后发现这么一段代码：
// .....
private EnumSingleton(String s, int i){
super(s, i);
}
// .....
static {
INSTANCE = new EnumSingleton("INSTANCE", 0);
$VALUES = (new EnumSingleton[] {
INSTANCE
});
}
原来jvm在编译EnumSingleton枚举类时，给它创建了一个有参的构造函数，并再静态代码块里面实例化了INSTANCE对象。那这里，我们再将测试代码修改一下，强制传入两个参数会怎么样：
public static void main(String[] args) {
try {
Class clazz = EnumSingleton.class;
// 设置两个参数的类型
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
// 强制访问
constructor.setAccessible(true);
// 传入两个参数
EnumSingleton instance1 = (EnumSingleton)constructor.newInstance("test",111);
EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
System.out.println("利用反射得到的实例对象："+instance1);
System.out.println("单例模式的实例对象："+instance2);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
结果：
还是报错，不过这次的错误换成了Cannot reflectively create enum objects，不允许创建枚举类的对象。我们来看看JDK的源码：
从constructor.newInstance("test",111)这行代码进入Constructor类中的newInstance()方法我们发现，这里有个判断，如果是对枚举类进行操作，那么直接报出错误；这么看来，是JDK源码帮助我们去拦截了来自反射技术的破坏，那么就可以放宽心了。
6.2 容器缓存
容器缓存最经典的例子就是Spring框架中的IOC容器，我们来模拟一下：
// 容器缓存
public class ContainerSingleton {
// 私有化构造函数
private ContainerSingleton(){}
private static Map<String,Object> iocMap = new ConcurrentHashMap<>();
// 传入 类名参数
public static Object getBean(String className){
if (className == null || "".equals(className)){
return null;
}
synchronized (iocMap){
// 判断容器中是否有该属性
if (!iocMap.containsKey(className)){
Object object = null;
try {
object = Class.forName(className).newInstance();
iocMap.put(className,object);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
return object;
} else {
return iocMap.get(className);
}
}
}
}
iocMap中的key存的是类名，value存的是该类的实例化对象，通过这种方式来保证每次获得的都是一个类的相同实例。
七、ThreadLocal线程单例
以ThreadLocal方式创建的单例对象是最为特殊的，因为它是一个伪单例，它只能保证同一个线程内创建的类的实例是相同的，有着天生的线程安全；但不能保证创建的类的实例是全局唯一的；先来看看代码：
public class ThreadLocalSingleton {
public ThreadLocalSingleton() {}
private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocal = new ThreadLocal(){
@Override
protected Object initialValue() {
return new ThreadLocalSingleton();
}
};
public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
return threadLocal.get();
}
}
线程代码：
public class LazyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
ThreadLocalSingleton instance = ThreadLocalSingleton.getInstance();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +instance);
}
}
测试代码：
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println("————————————————————————————————————————");
Thread thread1 = new Thread(new LazyThread());
Thread thread2 = new Thread(new LazyThread());
thread1.start();
thread2.start();
}
结果：
从结果可以看出，再主线程main中，无论我们调用多少次getInstance()方法，获得的ThreadLocalSingleton的实例都是相同的。而两个子线程Thread-0和Thread-1都获得了不同的实例。那么这是怎么做到了呢？
通过查看源码（别问我为啥不贴源码，问就是看不到，它的底层不是用Java写的【流泪】，感兴趣的小伙伴可以百度，有大神，我也是百度的，yyds！！！）我们发现，ThreadLocal将ThreadLocalSingleton类的实例对象全部放在了ThreadLocalMap中，为每一个线程提供了对象，实际上是以空间换时间来实现线程隔离的。这也使ThreadLocal技术频繁的使用了于用户登陆时，存储用户的登录信息方面。甚至于Mybatis中多个数据源切换的技术也是用它实现的。
最后
如果这篇文章对你有帮助的话，麻烦动动小手，点个赞，万分感谢！！！
如果有小伙伴发现文章里面有错误，欢迎来指正，不胜感激！！！
以上是关于JAVA设计模式（6：单例模式详解）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章