常用设计模式之单例模式

Posted 2020-10-11

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只
有一个实例存在。这样的模式有几个好处：
1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。
2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。
3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完
全乱了。

例子：
//简单的单例类 饿汉模式
public class Singleton {

　　/* 持有私有静态实例，防止被引用*/
　　private static Singleton instance = new Singleton();

　　/* 私有构造方法，防止被实例化 */
　　private Singleton() {
　　}

　　/* 静态工程方法，返回Singleton实例 */
　　public static Singleton getInstance() {
　　　　return instance;
　　}

　　/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
　　private Object readResolve() {
　　　　return instance;
　　}
}

这个类是可以实现单例模式的，但是存在不少问题,比如在类中不管用户是否要使用该类的对象,就先创建
好了一个实例放在内存中。

//简单的单例类 懒汉模式
public class Singleton {

　　/* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */
　　private static Singleton instance = null;

　　/* 私有构造方法，防止被实例化 */
　　private Singleton() {
　　}

　　/* 静态工程方法，创建实例 */
　　public static Singleton getInstance() {
　　　　if (instance == null) {
　　　　　　instance = new Singleton();
　　　　}
　　　　return instance;
　　}

　　/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
　　private Object readResolve() {
　　　　return instance;
　　}
}

这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定
就会出现问题了，如何解决？我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字，如下：

public static synchronized Singleton getInstance() {
　　if (instance == null) {
　　　　instance = new Singleton();
　　}
　　return instance;
}

但是，synchronized作为修饰符在方法上使用,在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对
对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。
我们改成下面这个：
public static Singleton getInstance() {
　　if (instance == null) {
　　　　synchronized (instance) {
　　　　　　if (instance == null) {
　　　　　　　　instance = new Singleton();
　　　　　　}
　　　　}
　　}
　　return instance;
}

似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了方法内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁
的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是
有可能有问题的。
看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();
语句并非是一个原子操作,在 JVM 中这句代码大概做了下面 3 件事情:
　　1给 new的对象 分配内存
　　2调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
　　3将引用instance指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）
但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，另外一个线程B抢夺到了CPU的执行权,这时instance已经是非null了（但却没有初始化），所以线程B会直接返回 instance，然后使用，结果就会出现问题了(因为对象还没有初始化)。

还有另外一种解决方案:使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这
个类的加载过程是线程互斥的(就是加载完毕后别的线程才能使用)。这样当我们第一次调用getInstance的
时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样
我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能
问题。例如：

public class Singleton {

　　/* 私有构造方法，防止被实例化 */
　　private Singleton() {
　　}

　　/* 此处使用一个内部类来维护单例 */
　　private static class SingletonFactory {
　　　　private static Singleton instance = new Singleton();
　　}

　　/* 获取实例 */
　　public static Singleton getInstance() {
　　　　return SingletonFactory.instance;
　　}

　　/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
　　private Object readResolve() {
　　　　return getInstance();
　　}
}

但是如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，
我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。

同时，我们还可以使用反射去创建这个类的对象，即使它的构造器是私有的，我们也是可以调用到的。那
么这个时候我们就需要再次修改代码去访问别人反射调用构造器。
例子:
//在构造器中控制一下，构造器只允许调用一次,之后在调用就抛出异常
public class Singleton {
　　private volatile static boolean flag;
　　/* 私有构造方法，防止被实例化 */
　　private Singleton() {
　　　　if(!flag){
　　　　　　flag = false;
　　　　}else{
　　　　　　throw new RuntimeException("不能多次创建单例对象");
　　　　}
　　}

　　/* 此处使用一个内部类来维护单例 */
　　private static class SingletonFactory {
　　　　private static Singleton instance = new Singleton();
　　}

　　/* 获取实例 */
　　public static Singleton getInstance() {
　　　　return SingletonFactory.instance;
　　}

　　/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
　　private Object readResolve() {
　　　　return getInstance();
　　}
}

反射的问题处理完了之后，这里还有一个问题，就是如果把单例对象进行序列化然后再反序列化,那么内存
中就会出现俩个一样的单例对象，只是内存地址不同。这种情况我们可以使用readResolve方法来防止。
private Object readResolve(){.....}
ObjectInputStream 会检查对象的class是否定义了readResolve方法。如果定义了，将由readResolve方法
指定返回的对象。返回对象的类型一定要是兼容的，否则会抛出ClassCastException 。
例子:
public abstract class Singleton8 implements Serializable{

　　private static final long serialVersionUID = 7863921642928237696L;

　　/* 此处使用一个内部类来维护单例 */
　　private static class SingletonFactory {
　　　　private static Singleton8 instance = new Singleton8(){};
　　}

　　//测试方式,把单例对象序列化后再反序列化从而获得一个新的对象 就相当于复制了一个单例对象
　　public Singleton8 copy() throws Exception{
　　　　ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream();
　　　　ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(os);
　　　　oos.writeObject(Singleton8.getInstance());
　　　　InputStream is = new ByteArrayInputStream(os.toByteArray());
　　　　ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(is);
　　　　Singleton8 obj = (Singleton8) ois.readObject();
　　　　return obj;
　　}

　　/* 获取实例 */
　　public static Singleton8 getInstance() {
　　　　return SingletonFactory.instance;
　　}

　　/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
　　/* 把这个方法注释前和注释后来运行测试代码观察结果 */
　　private Object readResolve() {
　　　　return getInstance();
　　}
}

实现和完善单例模式的方法有很多，笔者就不一一列举了。