Java单例模式的几种写法

Java中单例模式的几种写法

在开发工程中，单例模式是最常用，也是最简单的一种设计模式。

学习新姿势

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那么，一个完美的单例模式的实现需要做哪些事呢？

• 单例
• 延迟加载
• 线程安全
• 性能问题
• 防止序列化问题
• 防止反射攻击

以上是实现一个单例模式需要考虑到的一些基本因素。下面就这些因素来讲下几种单例模式的实现方法。

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一、饿汉式

这是最常用，也是最直接了当的一种方法

public class SingletonFirst implements Serializable {
    //类加载时就创建实例
    private static SingletonFirst instance = new SingletonFirst();

    //私有化构造方法
    private SingletonFirst() {
        // 防止反射获取多个对象的漏洞
        if (null != instance) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    //对外获取实例的方法
    public static SingletonFirst getInstance() {
        return instance;
    }

    /*
        防止反序列化获取多个对象的漏洞。
        无论是实现Serializable接口，或是Externalizable接口，当从I/O流中读取对象时，readResolve()方法都会被调用到。
        实际上就是用readResolve()中返回的对象直接替换在反序列化过程中创建的对象。
      */
    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return instance;
    }
}

在懒汉式中，当类加载时就创建了单例对象，这样不仅对性能有一定影响，更严重的是如果该单例对象的创建依赖于其他一些配置参数，而在该类加载时这些参数还未加载，那么就很可能造成单例对象创建失败，而且无法通过getInstance()方法传入参数，几时传入了也无效。当然，如果使用这种方式的话，线程绝对是安全的。如果通过反射创建对象的话，就会调用构造函数，此时在构造函数中判断单例对象是否为空，不为空的话就直接抛出异常。此外，readResolve()方法是所有序列化与反序列化都会调用的方法，在该方法中将单例对象直接返回，这样就能解决序列化问题了。

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二、懒汉式

为了避免饿汉式的一系列缺点，于是选择使用懒汉式

public class SingletonSecond implements Serializable {
    private static SingletonSecond instance;

    private SingletonSecond() {
        // 防止反射获取多个对象的漏洞
        if (null != instance) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

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

    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return instance;
    }
}

在懒汉式中，多线程安全就是一个不得不考虑的问题了。如果在多线程中使用懒汉式，以上的getInstance()方法是一个线程不安全的方法。当然，可以直接加synchronized关键字来解决问题，如下所示

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

这样就可以安全地解决线程问题了，但是，这样又带来了新问题，就是性能问题。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要，即第一次创建单例实例对象时。这就引出了双重检验锁。代码如下

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

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。

1. 给 instance 分配内存
2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
3. 将instance对象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，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

那么，该怎么解决呢？？其实，只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

// 声明成 volatile
private volatile static SingletonSecond instance;

//...

有人认为使用volatile的原因是可见性，也就是可以保证线程在本地不会存有 instance 的副本，每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子，取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。

但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

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静态内部类实现单例模式

使用静态内部类，能更好地实现单例模式，能同时解决线程安全问题和性能问题

public class SingletonFifth implements Serializable {

    private SingletonFifth() {
        // 防止反射获取多个对象的漏洞
        if (null != SingletonHolder.INSTANCE) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    public static SingletonFifth getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    // 防止反序列化获取多个对象的漏洞
    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final SingletonFifth INSTANCE = new SingletonFifth();
    }
}

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。

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枚举实现单例模式

这是最快捷的单例模式实现方式

public enum SingletonSixth {
    INSTANCE;

    public void doSomething() {
        //...
    }
}

可以通过SingletonSixth.INSTANCE来访问实例，这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的，而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。但是这种方法有一个比较致命的缺陷，就是在获取单例对象时无法传入参数，而之前的所有方法（饿汉式除外）都可以在getInstance(Object... args)方法中传入一些初始化参数。

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总结

一般来说，单例模式有四种写法：懒汉（包含双重检验锁）、饿汉、静态内部类、枚举。个人见解而已，不喜勿喷！！