简单的单例模式其实也不简单

Posted 2021-01-31 codebear

单例模式可以说只要是一个合格的开发都会写，但是如果要深究，小小的单例模式可以牵扯到很多东西，比如 多线程是否安全，是否懒加载，性能等等。还有你知道几种单例模式的写法呢？如何防止反射破坏单例模式？今天，我就花一章内容来说说单例模式。

关于单例模式的概念，在这里就不在阐述了，相信每个小伙伴都了如指掌。

我们直接进入正题：

饿汉式

public class Hungry {
    private Hungry() {
    }

    private final static Hungry hungry = new Hungry();

    public static Hungry getInstance() {
        return hungry;
    }
}

饿汉式是最简单的单例模式的写法，保证了线程的安全，在很长的时间里，我都是饿汉模式来完成单例的，因为够简单，后来才知道饿汉式会有一点小问题，看下面的代码：

public class Hungry {
    private byte[] data1 = new byte[1024];
    private byte[] data2 = new byte[1024];
    private byte[] data3 = new byte[1024];
    private byte[] data4 = new byte[1024];
    
    private Hungry() {
    }

    private final static Hungry hungry = new Hungry();

    public static Hungry getInstance() {
        return hungry;
    }
}

在Hungry类中，我定义了四个byte数组，当代码一运行，这四个数组就被初始化，并且放入内存了，如果长时间没有用到getInstance方法，不需要Hungry类的对象，这不是一种浪费吗？我希望的是 只有用到了 getInstance方法，才会去初始化单例类，才会加载单例类中的数据。所以就有了 第二种单例模式：懒汉式。

懒汉式（DCL）

public class LazyMan {
    private LazyMan() {
    }

    private static LazyMan lazyMan;

    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }
}

DCL懒汉式的单例，保证了线程的安全性，又符合了懒加载，只有在用到的时候，才会去初始化，调用效率也比较高，但是这种写法在极端情况还是可能会有一定的问题。因为

 lazyMan = new LazyMan();

不是原子性操作，至少会经过三个步骤：

1. 分配内存
2. 执行构造方法
3. 指向地址

由于指令重排，导致A线程执行 lazyMan = new LazyMan();的时候，可能先执行了第三步（还没执行第二步），此时线程B又进来了，发现lazyMan已经不为空了，直接返回了lazyMan，并且后面使用了返回的lazyMan，由于线程A还没有执行第二步，导致此时lazyMan还不完整，可能会有一些意想不到的错误，所以就有了下面一种单例模式。

懒汉式（Volatile）

这种单例模式只是在上面DCL单例模式增加一个volatile关键字来避免指令重排：

public class LazyMan {
    private LazyMan() {
    }

    private volatile static LazyMan lazyMan;

    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }
}

持有者

public class Holder {
    private Holder() {
    }

    public static Holder getInstance() {
        return InnerClass.holder;
    }

    private static class InnerClass {
        private static final Holder holder = new Holder();
    }
}

这种方式是第一种饿汉式的改进版本，同样也是在类中定义static变量的对象，并且直接初始化，不过是移到了静态内部类中，十分巧妙。既保证了线程的安全性，同时又满足了懒加载。

万恶的反射

万恶的反射登场了，反射是一个比较霸道的东西，无视private修饰的构造方法，可以直接在外面newInstance，破坏我们辛辛苦苦写的单例模式。

 public static void main(String[] args) {
        try {
            LazyMan lazyMan1 = LazyMan.getInstance();
            Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
            declaredConstructor.setAccessible(true);
            LazyMan lazyMan2 = declaredConstructor.newInstance();
            System.out.println(lazyMan1.hashCode());
            System.out.println(lazyMan2.hashCode());
            System.out.println(lazyMan1 == lazyMan2);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

我们分别打印出lazyMan1，lazyMan2的hashcode，lazyMan1是否相等lazyMan2，结果显而易见：

那么，怎么解决这种问题呢？

public class LazyMan {
    private LazyMan() {
        synchronized (LazyMan.class) {
            if (lazyMan != null) {
                throw new RuntimeException("不要试图用反射破坏单例模式");
            }
        }
    }

    private volatile static LazyMan lazyMan;

    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }
}

在私有的构造函数中做一个判断，如果lazyMan不为空，说明lazyMan已经被创建过了，如果正常调用getInstance方法，是不会出现这种事情的，所以直接抛出异常：

但是这种写法还是有问题：

上面我们是先正常的调用了getInstance方法，创建了LazyMan对象，所以第二次用反射创建对象，私有构造函数里面的判断起作用了，反射破坏单例模式失败。但是如果破坏者干脆不先调用getInstance方法，一上来就直接用反射创建对象，我们的判断就不生效了：

 public static void main(String[] args) {
        try {
            Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
            declaredConstructor.setAccessible(true);
            LazyMan lazyMan1 = declaredConstructor.newInstance();
            LazyMan lazyMan2 = declaredConstructor.newInstance();
            System.out.println(lazyMan1.hashCode());
            System.out.println(lazyMan2.hashCode());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

那么如何防止这种反射破坏呢？

public class LazyMan {
    private static boolean flag = false;
    private LazyMan() {
        synchronized (LazyMan.class) {
            if (flag == false) {
                flag = true;
            } else {
                throw new RuntimeException("不要试图用反射破坏单例模式");
            }
        }
    }
    private volatile static LazyMan lazyMan;
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }
}

在这里，我定义了一个boolean变量flag，初始值是false，私有构造函数里面做了一个判断，如果flag=false，就把flag改为true，但是如果flag等于true，就说明有问题了，因为正常的调用是不会第二次跑到私有构造方法的，所以抛出异常：

看起来很美好，但是还是不能完全防止反射破坏单例模式，因为可以利用反射修改flag的值。

看起来并没有一个很好的方案去避免反射破坏单例模式，所以轮到我们的枚举登场了。

枚举

public enum EnumSingleton {
    instance;
    public EnumSingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

枚举是目前最推荐的单例模式的写法，因为足够简单，不需要开发自己保证线程的安全，同时又可以有效的防止反射破坏我们的单例模式，我们可以看下newInstance的源码：

重点就是红框中圈出来的部分，如果枚举去newInstance就直接抛出异常了。

好了，这章的内容就结束了，下次再有人问你单例模式，再也不用害怕了。