单例模式

Posted 2021-02-13 airtone

1、单例模式的应用场景。

2、饿汉式单例
3、懒汉式单例
4、反射破坏单例
5、序列化破坏单例
6、注册式单例
7、TreadLocal线程单例
8、单例模式小结 

单例模式的应用场景

单例模式（Singleton Pattern）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，国家主席、公司 CEO、部门经理等。在 J2EE 标准中，ServletContext、ServletContextConfig 等；在 Spring 框架应用中 ApplicationContext；数据库的连接池也都是单例形式。

饿汉式单例

特点：

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。

适用场景：

饿汉式适用在单例对象较少的情况。

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;
　　}
}

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还有另外一种写法，利用静态代码块的机制：

//饿汉式静态块单例
public class HungryStaticSingleton {
　　private static final HungryStaticSingleton hungrySingleton;

　　static {
　　　　hungrySingleton = new HungryStaticSingleton();
　　}
　　private HungryStaticSingleton(){}
　　public static HungryStaticSingleton getInstance(){
　　　　return hungrySingleton;
　　}
}

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懒汉式单例

特点：

被外部类调用的时候内部类才会加载

 

简单的懒汉式实现：

//懒汉式单例
//在外部需要使用的时候才进行实例化
public class LazySimpleSingleton {
　　private LazySimpleSingleton(){}
　　//静态块，公共内存区域
　　private static LazySimpleSingleton lazy = null;
　　public static LazySimpleSingleton getInstance(){
　　　　if(lazy == null){
　　　　　　lazy = new LazySimpleSingleton();
　　　　}
　　　　return lazy;
　　}
}

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以下代码若用多线程来执行，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。那如何保证懒汉式在线程环境下安全呢？  我们看下下面代码，在getInstance代码上加上syncronnized关键字，使这个方法变成线程安全方法：

public class LazySimpleSingleton {
　　private LazySimpleSingleton(){}
　　//静态块，公共内存区域
　　private static LazySimpleSingleton lazy = null;
　　public synchronized static LazySimpleSingleton getInstance(){
　　　　if(lazy == null){
　　　　　　lazy = new LazySimpleSingleton();
　　　　}
　　　　return lazy;
　　}
}

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 通过测试这个线程安全的问题便解决了。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：

public class LazyDoubleCheckSingleton {
　　private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazy = null;
　　private LazyDoubleCheckSingleton(){}
　　public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
　　　　if(lazy == null){
　　　　　　synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class){
　　　　　　　　if(lazy == null){
　　　　　　　　　　lazy = new LazyDoubleCheckSingleton();
　　　　　　　　　　//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 lazy;
　　}
}

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 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
//完美地屏蔽了这两个缺点
public class LazyInnerClassSingleton {
　　//默认使用 LazyInnerClassGeneral 的时候，会先初始化内部类
　　//如果没使用的话，内部类是不加载的
　　private LazyInnerClassSingleton(){}
　　//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
　　public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){
　　　　//在返回结果以前，一定会先加载内部类
　　　　return LazyHolder.LAZY;
　　}
　　//默认不加载
　　private static class LazyHolder{
　　　　private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
　　}
}

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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。

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：

public class LazyInnerClassSingletonTest {
　　public static void main(String[] args) {
　　　　try{
　　　　　　//很无聊的情况下，进行破坏
　　　　　　Class<?> clazz = LazyInnerClassSingleton.class;
　　　　　　//通过反射拿到私有的构造方法
　　　　　　Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
　　　　　　//强制访问，强吻，不愿意也要吻
　　　　　　c.setAccessible(true);
　　　　　　//暴力初始化
　　　　　　Object o1 = c.newInstance();

　　　　　　//调用了两次构造方法，相当于 new 了两次
　　　　　　//犯了原则性问题，
　　　　　　Object o2 = c.newInstance();
　　　　　　System.out.println(o1 == o2);
　　　　　　// Object o2 = c.newInstance();
　　　　}catch (Exception e){
　　　　　　e.printStackTrace();
　　　　}
　　}
}

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运行结果为false。

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：

//史上最牛 B 的单例模式的实现方式
public class LazyInnerClassSingleton {
　　//默认使用 LazyInnerClassGeneral 的时候，会先初始化内部类
　　//如果没使用的话，内部类是不加载的
　　private LazyInnerClassSingleton(){
　　　　if(LazyHolder.LAZY != null){
　　　　　　throw new RuntimeException("不允许创建多个实例");
　　　　}
　　}
　　//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
　　public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){
　　　　//在返回结果以前，一定会先加载内部类
　　　　return LazyHolder.LAZY;
　　}
　　//默认不加载
　　private static class LazyHolder{
　　　　private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
　　}
}

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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：

//反序列化时导致单例破坏
public class SeriableSingleton implements Serializable {
　　//序列化就是说把内存中的状态通过转换成字节码的形式
　　//从而转换一个 IO 流，写入到其他地方(可以是磁盘、网络 IO)
　　//内存中状态给永久保存下来了
　　//反序列化
　　//讲已经持久化的字节码内容，转换为 IO 流
　　//通过 IO 流的读取，进而将读取的内容转换为 Java 对象
　　//在转换过程中会重新创建对象 new
　　public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
　　private SeriableSingleton(){}
　　public static SeriableSingleton getInstance(){
　　　　return INSTANCE;
　　}
}

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编写测试代码：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;


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();
　　　　}
　　}
}

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运行结果为false，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：

import java.io.Serializable;
public class SeriableSingleton implements Serializable {
　　public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
　　private SeriableSingleton(){}
　　public static SeriableSingleton getInstance(){
　　　　return INSTANCE;
　　}
　　private Object readResolve(){
　　　　return INSTANCE;
　　}
}

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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 一 清 二 楚 了 。 我 们 进 入ObjectInputStream 类的 readObject()方法，代码如下：

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。

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：

public enum EnumSingleton {
　　INSTANCE;
　　private Object data;
　　public Object getData() {
　　　　return data;
　　}
　　public void setData(Object data) {
　　　　this.data = data;
　　}
　　public static EnumSingleton getInstance(){
　　　　return INSTANCE;
　　}
}

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 来看测试代码：

public class EnumSingletonTest {
　　public static void main(String[] args) {
　　　　try {
　　　　　　EnumSingleton instance1 = null;
　　　　　　EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
　　　　　　instance2.setData(new Object());
　　　　　　FileOutputStream fos = new FileOutputStream("EnumSingleton.obj");
　　　　　　ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
　　　　　　oos.writeObject(instance2);
　　　　　　oos.flush();
　　　　　　oos.close();

　　　　　　FileInputStream fis = new FileInputStream("EnumSingleton.obj");
　　　　　　ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
　　　　　　instance1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
　　　　　　ois.close();
　　　　　　System.out.println(instance1.getData());
　　　　　　System.out.println(instance2.getData());
　　　　　　System.out.println(instance1.getData() == instance2.getData());
　　　　}catch (Exception e){
　　　　　　e.printStackTrace();
　　　　}
　　}
}

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运行结果为true，但我们没做任何处理，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。

下载一个非常好用的 Java 反编译工具 Jad（下载地址：https://varaneckas.com/jad/），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，

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：

static
{
　　INSTANCE = new EnumSingleton("INSTANCE", 0);
　　$VALUES = (new EnumSingleton[] {
　　　　INSTANCE
　　});
}

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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？

我们通过测试发现，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《EffectiveJava》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：

public class ContainerSingleton {
　　private ContainerSingleton(){}
　　private static Map<String,Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String,Object>();
　　public static Object getBean(String className){
　　　　synchronized (ioc) {
　　　　　　if (!ioc.containsKey(className)) {
　　　　　　　　Object obj = null;
　　　　　　　　try {
　　　　　　　　　　obj = Class.forName(className).newInstance();
　　　　　　　　　　ioc.put(className, obj);
　　　　　　　　} catch (Exception e) {
　　　　　　　　　　e.printStackTrace();
　　　　　　　　}
　　　　　　　　return obj;
　　　　　　} else {
　　　　　　　　return ioc.get(className);
　　　　　　}
　　　　}
　　}
}

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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。

ThreadLocal 线程单例

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：

public class ThreadLocalSingleton {
　　private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocalInstance = new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>(){
　　　　@Override
　　　　protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
　　　　　　return new ThreadLocalSingleton();
　　　　}
　　};
　　private ThreadLocalSingleton(){}
　　public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
　　　　return threadLocalInstance.get();
　　}
}

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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。