设计模式之单例模式详解和应用
Posted 赵广陆
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了设计模式之单例模式详解和应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
- 1 单例模式的应用场景介绍
- 2 饿汉式单例模式
- 3 懒汉式单例模式
- 4 反射破坏单例
- 5 序列化破坏单例（扩展知识）
- 6 注册式单例模式
- 7 线程单例实现ThreadLocal
- 8 AbstractFactoryBean源码
- 9 单例模式小结
1 单例模式的应用场景介绍
1、听说过单例模式，但不知道如何应用的人群。
2、单例模式是非常经典的高频面试题，希望通过面试单例彰显技术深度，顺利拿到Offer的人群。
单例模式（SingletonPattern）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。单例模式在现实生活中应用也非常广泛，例如，公司CEO、部门经 理 等 。 J2EE 标 准 中 的 ServletContext 、 ServletContextConfig 等 、 Spring 框 架 应 用 中 的 ApplicationContext、数据库的连接池BDPool等也都是单例形式。
2 饿汉式单例模式
2.1 静态方法获得私有成员对象
/**
* 优点：执行效率高，性能高，没有任何的锁
* 缺点：某些情况下，可能会造成内存浪费
*/
public class HungrySingleton
//先静态、后动态
//先属性、后方法
//先上后下
private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();
private HungrySingleton()
public static HungrySingleton getInstance()
return hungrySingleton;
2.2 利用静态代码块与类同时加载的特性生成单例对象
//饿汉式静态块单例模式
public class HungryStaticSingleton
//先静态后动态
//先上，后下
//先属性后方法
private static final HungryStaticSingleton hungrySingleton;
static
hungrySingleton = new HungryStaticSingleton();
private HungryStaticSingleton()
public static HungryStaticSingleton getInstance()
return hungrySingleton;
类结构图
2.3 优缺点
优点：没有加任何锁、执行效率比较高，用户体验比懒汉式单例模式更好。
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”。
3 懒汉式单例模式
特点
懒汉式单例模式的特点是：被外部类调用的时候内部类才会加载。
2.1 加锁
/**
* 优点：节省了内存,线程安全
* 缺点：性能低
*/
//懒汉式单例模式在外部需要使用的时候才进行实例化
public class LazySimpleSingletion
private static LazySimpleSingletion instance;
//静态块，公共内存区域
private LazySimpleSingletion()
public synchronized static LazySimpleSingletion getInstance()
if(instance == null)
instance = new LazySimpleSingletion();
return instance;
public class ExectorThread implements Runnable
public void run()
LazySimpleSingletion instance = LazySimpleSingletion.getInstance();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + instance);
public class LazySimpleSingletonTest
public static void main(String[] args)
Thread t1 = new Thread(new ExectorThread());
Thread t2 = new Thread(new ExectorThread());
t1.start();
t2.start();
System.out.println("End");
给getInstance()加上synchronized关键字，使这个方法变成线程同步方法：
当执行其中一个线程并调用getInstance()方法时，另一个线程在调用getInstance() 方法，线程的状态由 RUNNING 变成了 MONITOR，出现阻塞。直到第一个线程执行完，第二个线程 才恢复到RUNNING状态继续调用getInstance()方法
用 synchronized加锁时，在线程数量比较多的情况下，如果CPU分配压力上升，则会导致大批线程阻塞， 从而导致程序性能大幅下降。那么，有没有一种更好的方式，既能兼顾线程安全又能提升程序性能呢？ 答案是肯定的。我们来看双重检查锁的单例模式：
2.2 双重检查锁
/**
* 优点:性能高了，线程安全了
* 缺点：可读性难度加大，不够优雅
*/
public class LazyDoubleCheckSingleton
// volatile解决指令重排序
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance;
private LazyDoubleCheckSingleton()
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance()
//检查是否要阻塞，第一个instance == null是为了创建后不再走synchronized代码，提高效率。可以理解是个开关。创建后这个开关就关上，后面的代码就不用执行了。
if (instance == null)
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class)
//检查是否要重新创建实例
if (instance == null)
instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
//指令重排序的问题
//1.分配内存给这个对象
//2.初始化对象
//3.设置 lazy 指向刚分配的内存地址
return instance;
public class ExectorThread implements Runnable
public void run()
LazyDoubleCheckSingleton instance = LazyDoubleCheckSingleton.getInstance();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + instance);
public class LazySimpleSingletonTest
public static void main(String[] args)
Thread t1 = new Thread(new ExectorThread());
Thread t2 = new Thread(new ExectorThread());
t1.start();
t2.start();
System.out.println("End");
当第一个线程调用 getInstance()方法时，第二个线程也可以调用。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()方法内部的阻塞，只要逻辑不太复杂，对于 调用者而言感知不到。
但是，用到 synchronized 关键字总归要上锁，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？当然有。我们可以从类初始化的角度来考虑，看下面的代码，采用静态内部类的方式：
2.3 静态内部类
/*
ClassPath : LazyStaticInnerClassSingleton.class
LazyStaticInnerClassSingleton$LazyHolder.class
优点：写法优雅，利用了Java本身语法特点，性能高，避免了内存浪费,不能被反射破坏
缺点：不优雅
*/
//这种形式兼顾饿汉式单例模式的内存浪费问题和 synchronized 的性能问题
//完美地屏蔽了这两个缺点
//自认为史上最牛的单例模式的实现方式
public class LazyStaticInnerClassSingleton
//使用 LazyInnerClassGeneral 的时候，默认会先初始化内部类
//如果没使用，则内部类是不加载的
private LazyStaticInnerClassSingleton()
// if(LazyHolder.INSTANCE != null)
// throw new RuntimeException("不允许非法创建多个实例");
//
//每一个关键字都不是多余的，static 是为了使单例的空间共享，保证这个方法不会被重写、重载
private static LazyStaticInnerClassSingleton getInstance()
//在返回结果以前，一定会先加载内部类
return LazyHolder.INSTANCE;
//默认不加载
private static class LazyHolder
private static final LazyStaticInnerClassSingleton INSTANCE = new LazyStaticInnerClassSingleton();
这种方式兼顾了饿汉式单例模式的内存浪费问题和 synchronized 的性能问题。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。由于这种方式比较简单，我们就不带大家一步一步 调试了，但是这个单利对象并不是线程安全的，谁都可以改变值使用时要注意，会不会用的时候被其他线程修改值，产生线程安全问题，适用于初始化一些参数使用，其他值从这个对象去拿。
内部类语法特性 ： 内部类用时才加载
4 反射破坏单例
public class ReflectTest
public static void main(String[] args)
try
//在很无聊的情况下，进行破坏
Class<?> clazz = LazyStaticInnerClassSingleton.class;
//通过反射获取私有的构造方法
Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
//强制访问
c.setAccessible(true);
//暴力初始化
Object instance1 = c.newInstance();
//调用了两次构造方法，相当于“new”了两次，犯了原则性错误
Object instance2 = c.newInstance();
System.out.println(instance1);
System.out.println(instance2);
System.out.println(instance1 == instance2);
// Enum
catch (Exception e)
e.printStackTrace();
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.lazy.LazyStaticInnerClassSingleton@64cee07
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.lazy.LazyStaticInnerClassSingleton@1761e840
false
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 关键字，没有做任何处理。如 果我们使用反射来调用其构造方法，再调用 getInstance()方法，应该有两个不同的实例。现在来看一 段测试代码，以LazyInnerClassSingleton为例：
显然，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。所以需要在私有构造方法添加异常：
private LazyStaticInnerClassSingleton()
if(LazyHolder.INSTANCE != null)
throw new RuntimeException("不允许非法创建多个实例");
5 序列化破坏单例（扩展知识）
一个单例对象创建好后，有时候需要将对象序列化然后写入磁盘，下次使用时再从磁盘中读取对象 并进行反序列化，将其转化为内存对象。反序列化后的对象会重新分配内存，即重新创建。如果序列化 的目标对象为单例对象，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：
//反序列化导致破坏单例模式
public class SeriableSingleton implements Serializable
//序列化
//把内存中对象的状态转换为字节码的形式
//把字节码通过IO输出流，写到磁盘上
//永久保存下来，持久化
//反序列化
//将持久化的字节码内容，通过IO输入流读到内存中来
//转化成一个Java对象
// 饿汉式
public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
private SeriableSingleton()
public static SeriableSingleton getInstance()
return INSTANCE;
// private Object readResolve() return INSTANCE;
public class SeriableSingletonTest
public static void main(String[] args)
SeriableSingleton s1 = null;
SeriableSingleton s2 = SeriableSingleton.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 = (SeriableSingleton)ois.readObject();
ois.close();
System.out.println(s1);
System.out.println(s2);
System.out.println(s1 == s2);
catch (Exception e)
e.printStackTrace();
打印结果：
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@68837a77
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@4b6995df
false
从运行结果可以看出，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 例模式的设计初衷。那么，我们如何保证在序列化的情况下也能够实现单例模式呢？其实很简单，只需 要增加readResolve()方法即可。
再看运行结果，如下图所示。
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@4b6995df
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@4b6995df
true
大家一定会想：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的源码实现以了解清楚。我们进入ObjectInputStream类的readObject()方法， 代码如下：
public final Object readObject()
throws IOException, ClassNotFoundException
if (enableOverride)
return readObjectOverride();
// if nested read, passHandle contains handle of enclosing object
int outerHandle = passHandle;
try
Object obj = readObject0(false);
handles.markDependency(outerHandle, passHandle);
ClassNotFoundException ex = handles.lookupException(passHandle);
if (ex != null)
throw ex;
if (depth == 0)
vlist.doCallbacks();
return obj;
finally
passHandle = outerHandle;
if (closed && depth == 0)
clear();
我们发现，在readObject()方法中又调用了重写的readObject0()方法。进入readObject0()方法， 代码如下：
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException
...
case TC_OBJECT:
return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));
...
我们看到TC_OBJECT中调用了ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法，看源码：
private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
throws IOException
if (bin.readByte() != TC_OBJECT)
throw new InternalError();
ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
desc.checkDeserialize();
Class<?> cl = desc.forClass();
if (cl == String.class || cl == Class.class
|| cl == ObjectStreamClass.class)
throw new InvalidClassException("invalid class descriptor");
Object obj;
try
obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
catch (Exception ex)
throw (IOException) new InvalidClassException(
desc.forClass().getName(),
"unable to create instance").initCause(ex);
...
return obj;
我们发现调用了ObjectStreamClass的isInstantiable()方法，而isInstantiable()方法的代码如下：
boolean isInstantiable()
requireInitialized();
return (cons != null);
上述代码非常简单，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。这意味着只要 有无参构造方法就会实例化。
这时候其实还没有找到加上 readResolve()方法就避免了单例模式被破坏的真正原因。再回到 ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法，继续往下看：
private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
throws IOException
if (bin.readByte() != TC_OBJECT)
throw new InternalError();
ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
desc.checkDeserialize();
Class<?> cl = desc.forClass();
if (cl == String.class || cl == Class.class
|| cl == ObjectStreamClass.class)
throw new InvalidClassException("invalid class descriptor");
Object obj;
try
obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
catch (Exception ex)
throw (IOException) new InvalidClassException(
desc.forClass().getName(),
"unable to create instance").initCause(ex);
...
if (obj != null &&
handles.lookupException(passHandle) == null &&
desc.hasReadResolveMethod())
Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
if (unshared && rep.getClass().isArray())
rep = cloneArray(rep);
if (rep != obj)
// Filter the replacement object
if (rep != null)
if (rep.getClass().isArray())
filterCheck(rep.getClass(), Array.getLength(rep));
else
filterCheck(rep.getClass(), -1);
handles.setObject(passHandle, obj = rep);
return obj;
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：
boolean hasReadResolveMethod()
requireInitialized();
return (readResolveMethod != null);
上述代码逻辑非常简单，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？通过全局查找知道，在私有方法 ObjectStreamClass()中给 readResolveMethod进行了赋值，来看代码：
private final void requireInitialized()
以上是关于设计模式之单例模式详解和应用的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章