这怕是最全的【单例模式】，可以拉着面试官掰扯半小时(面试必备）
单例模式是面向对象的编程语言23种设计模式之一，属于创建型设计模式。主要用于解决对象的频繁创建与销毁问题，因为单例模式保证一个类仅会有一个实例。大部分对单例模式应该都知道一些，但面试的时候可能回答不会很完整，不能给自己加分，甚至扣分。
单一的知识点并不能对自己在面试的时候带来加分，而系统的知识树则会让面试官另眼相看，而本文会系统的介绍单例模式的基础版本与完美版本，基本上将单例模式的内容完全包括。如果认为有不同的意见可以留言交流。
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单例模式最重要的就是保证一个类只会出现一个实例，那么超过一个就不能被称为是单例，所有其代码构成如下特点。
- 私有化构造器，禁止从外部创建单例对象。
- 提供一个全局的访问点获取单例对象。
什么是全局访问点？ 好吧，上面的话语太文邹邹了，如果我说公共的静态方法呢？
饿汉、懒汉
主要分为饿汉模式和懒汉模式。那何为饿汉？何为懒汉？
小丽的爸爸从小生活很艰苦，经历了饥荒年代，所以对食物非常紧张。当小丽去上学的时候，不管小丽是否需要，都会给小丽准备很多的零食。
而小明的爸爸则是一个非常懒惰的人，所有的事情都会到最后才去做，所有事情只有当有别人来叫他的时候，他才会把事情做完 这样就引出了我们对饿汉模式和懒汉模式的定义：
饿汉模式：不管单例对象是否被使用，都会先创建出一个对象。饿汉模式存在资源浪费的问题，因为很有可能对象创建出来只会永远都不会被使用到。
代码如下：
package demo.single;
/**
* 饿汉模式
*/
public class HungrySingle {
/**
* 饿汉模式，不管hungrySingle对象是否有使用到，都会先创建出来
* 由于饿汉模式在对象使用之前就已经被创建，所以是不会存在线程安全问题
*/
private static HungrySingle hungrySingle = new HungrySingle();
/**
* 私有化构造器，禁止外部创建
*/
private HungrySingle(){
}
/**
* 提供获取实例的方法
*/
public static HungrySingle getInstance(){
return hungrySingle;
}
}
懒汉模式：不会先将对象创建出来，而是等到有人使用的时候才会创建。相比饿汉模式，懒汉模式不会存在资源浪费的情况，所以基本都会选择懒汉模式。
代码如下：
package demo.single;
/**
* 懒汉模式
*/
public class LazySingle {
/**
* 懒汉模式，不会先创建对象，而是在调用的时候才会创建对象
*/
private static LazySingle lazySingle = null;
private LazySingle() {
}
/**
* 调用的时候创建对象并返回
*/
public static LazySingle getInstance(){
if(lazySingle == null){
lazySingle = new LazySingle();
}
return lazySingle;
}
}
小李：面试官，您看我这样的解释可还行。
面试官：单线程下是挺好的，如果在多线程环境下呢？
小李：这个我知道，加锁啊！
面试官：出门左转电梯直达！
其实加锁也没答错，关键问题在于如何加锁！
直接将获取实例的方法内容写入同步代码块中，解决了多线程安全的问题，但是并发效率的问题又暴露了出来。你想啊，现在锁住了这方法，而无论单例的对象是否创建，都会经过获取锁、释放锁的过程。这样的性能显然是不能接受的。
小李：我想想啊~~~！ Emmmmm...! 有了，我们可以在同步代码块外层加一个判断，如果对象已经创建则直接返回。
面试官：这样解决了一部分的并发效率问题，但是如果在创建的时候同时有很多的线程访问，是不是也会有并发的效率问题呢？再优化优化。
小李一想，确实是这样，如果对象还没有创建出来的时候，就有很多的线程来访问，也会出现问题，假设有两个线程同时访问，当A线程优先争抢到锁，A进入同步代码块执行，此时B没有争抢到锁，将处于等待状态，而当A线程执行完成后释放锁，B进入同步代码块执行，此时B线程同样会创建出一个对象，破坏了单例。
小李：面试官，我明白了，可以在同步代码块中再加一层if判断，如果对象已经创建，就直接返回即可。
Double Check
上面最后的结果就是我们常说的Double Check,即双重锁检查。双重锁检查在很多地方都被运用到，代码如下。
package demo.single;
/**
* 懒汉模式
*/
public class LazySingle {
/**
* 懒汉模式，不会先创建对象，而是在调用的时候才会创建对象
*/
private static LazySingle lazySingle = null;
private LazySingle() {
}
/**
* 调用的时候创建对象并返回
*/
public static LazySingle getInstance(){
//first check
if(lazySingle == null){
synchronized (LazySingle.class){
//double check
if(lazySingle == null){
lazySingle = new LazySingle();
}
}
}
return lazySingle;
}
}
面试官：小李，你多线程运行一下代码看看呢。
小李：好勒！ 好像挺正常啊。等等， 好像不对， 这里还是出现了多个对象！！！啊~~，这是为什么啊，我都懵了，这完全超出了我的能力范围。
面试官：哈哈，小子，这下知道谁是大佬了吧？我来给你好好解释一下，其实，这和我们的代码没有关系，正常来讲，应该不会出现这样的问题，但是我们都知道，代码在运行过程中，会被编译成一条一条的指令运行，而JVM在运行时，在保证单线程最终结果不会受影响的情况下，对指令进行优化，就有可能对指令进行重排序，同样会破坏单例。
lazySingle = new LazySingle();
//这样一段代码在运行时会生成3条指令，即： 1\. 分配内存空间 2\. 创建对象 3\. 指向引用
//正常情况下是会按照1 2 3顺序执行，但JVM优化器进行指令重排后，则可能变为：1\. 分配内存空间 3\. 指向引用 2\. 创建对象
//在单线程下，这样的优化没有问题，但是多线程下，线程是在争抢CPU时间碎片的。假设A刚刚执行完 1 3 //条指令，此时B争抢到时间碎片，发现对象不为空了，就直接返回，但此时对象还没有真正被创建。B调用
//此对象就会抛出异常
//而volatile关键字修饰的变量可以禁止指令重排序，则可以保证指令会是1 2 3顺序执行。
//加上volatile修饰
private volatile static LazySingle lazySingle = null;
小李： 终于解决了，好难啊，一个简单的单例模式居然有这么多的细节。
面试官：你以为这就完了？
内部类的单例
使用内部类的方式可以非常完美的完成单例模式，而实现代码也非常简单。
package demo.single;
/**
* 内部类的方式实现单例
*/
public class InnerSingle {
/**
* 私有化构造器
*/
private InnerSingle(){
}
/**
* 私有内部类
*/
private static class Inner{
//Jingtai内部类持有外部类的对象
public static final InnerSingle SINGLE = new InnerSingle();
}
/**
* 返回静态内部类持有的对象
*/
public static InnerSingle getInstance(){
return Inner.SINGLE;
}
}
可以看到，代码中并没有出现同步方法或者同步代码块，那么静态内部类的方式是如何做到安全的单例模式呢？
- 外部类加载的时候，不会立即加载内部类，而是在调用的时候会加载内部类。
- 不管多少线程访问，JVM一定会保证类被正确的初始化，即静态内部类的方式是在JVM层面保证了线程安全
当然，这样也有一些缺点，那就是在创建单例对象的时候，如果需要传参，那么静态内部类的方式会非常麻烦。
破坏单例
那么，上面的单例已经完美了吗？并没有，看我如何将单例给破坏掉。
反射破坏
反射可以绕过私有构造器的限制，创建对象。当然正常的调用是不会发生单例被破坏的情况，但是如果偏偏有人不走寻常路呢，比如下面的调用。
package demo.single;
import java.lang.reflect.Constructor;
/**
* 反射破坏单例
*/
public class RefBreakSingleTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//获取类对象
Class lazySingleClass = LazySingle.class;
//获取构造器
Constructor constructor = lazySingleClass.getDeclaredConstructor(null);
constructor.setAccessible(true);
//创建对象
LazySingle lazySingle = constructor.newInstance(null);
System.out.println(lazySingle);
System.out.println(LazySingle.getInstance());
System.out.println(lazySingle == LazySingle.getInstance());
}
}
image
很明显看到出现了两个不同的兑现，显然，单例被破坏了！ 对于这样的情况该如何禁止呢？在网上查阅了很多资料，大部分是使用变量控制法，即在类中添加一个变量用于判断单例类的构造器是否有被调用，代码如下。
//添加变量控制,防止反射破坏
private static boolean isInstance = false;
private volatile static LazySingle lazySingle = null;
private LazySingle() throws Exception {
if(isInstance){
throw new Exception("the Constructor has be used");
}
isInstance = true;
}
再次调用测试代码，发现不能再创建多个单例对象，程序抛出了异常。
image
但是别忘了，属性也是可以通过反射修改的(count、instance的判断反射都能绕过)。
public class RefBreakSingleTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//获取类对象
Class lazySingleClass = LazySingle.class;
//获取构造器
Constructor constructor = lazySingleClass.getDeclaredConstructor(null);
constructor.setAccessible(true);
//创建对象
LazySingle lazySingle = constructor.newInstance(null);
System.out.println(lazySingle);
Field isInstance = lazySingleClass.getDeclaredField("isInstance");
isInstance.setAccessible(true);
isInstance.set(null,false);
System.out.println(LazySingle.getInstance());
System.out.println(lazySingle == LazySingle.getInstance());
}
}
image
单例再次被破坏，感觉是不是已经快崩溃了，一个单例咋这么多事呢！！既然私有属性、私有方法在外部都能通过反射获取，那有没有反射不能获取的呢？我在网上也找到了另外一种写法，即私有内部类的来持有实例控制变量，而我也通过测试，发现反射同样能够绕过从而破坏单例。
package demo.pattren.single;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Method;
public class BreakInnerTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Class lazySingleClass = LazySingle.class;
// //获取构造器
Constructor constructor = lazySingleClass.getDeclaredConstructor(null);
constructor.setAccessible(true);
//创建对象
LazySingle lazySingle = constructor.newInstance(null);
//获取内部类的类对象
Class aClass = Class.forName("demo.pattren.single.LazySingle$InnerClass");
Method[] methods = aClass.getMethods();
Constructor[] declaredConstructors = aClass.getDeclaredConstructors();
System.out.println(declaredConstructors);
Constructor declaredConstructor = declaredConstructors[0];
declaredConstructor.setAccessible(true);
//创建内部类需要传入一个外部类的对象
Object o = declaredConstructor.newInstance(lazySingle);
//成功绕过
methods[0].invoke(o);
}
}
目前网上基本都是这两种，但是反射都是能够绕过判断进行破坏。可以这样认为，这种方式反射是可以破坏的，不能100%保证单例不被破坏。欢迎各位提供完美的示例。
序列化破坏
Java的IO提供了对象流，用来将对象写入磁盘、从磁盘读取对象的功能。这也成为了单例的破坏点。
public static void main(String[] args) throws Exception {
//正常的方式获取单例对象
InnerSingle instance = InnerSingle.getInstance();
//写入磁盘
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("d:/single");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(instance);
oos.close();
fos.close();
//从磁盘读取对象
FileInputStream fis = new FileInputStream("d:/single");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
InnerSingle innerSingle = (InnerSingle) ois.readObject();
System.out.println(instance);
System.out.println(innerSingle);
System.out.println(innerSingle == instance);
}
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而序列化的方式JVM提供了一种机制，可以防止单例被破坏，即在单例类中添加readResovle方法。
//在反序列化时，readResolve方法，则直接返回该方法指定的对象
private Object readResolve(){
return getInstance();
}
测试结果：
image
序列化没有再破坏单例，而这一切JDK是如何处理的呢？
public final Object readObject()
throws IOException, ClassNotFoundException
{
if (enableOverride) {
return readObjectOverride();
}
int outerHandle = passHandle;
try {
//关键代码，最终返回的是此方法返回的对象
Object obj = readObject0(false);
handles.markDependency(outerHandle, passHandle);
ClassNotFoundException ex = handles.lookupException(passHandle);
//more code but not importent
继续深入,发现readObject0方法的关键代码如下
byte tc;
//取出文件的一个字节，判断读取的对象类型
while ((tc = bin.peekByte()) == TC_RESET) {
bin.readByte();
handleReset();
}
depth++;
totalObjectRefs++;
try {
switch (tc) {
case TC_NULL:
return readNull();
case TC_ENUM:
return checkResolve(readEnum(unshared));
//判断为对象类
case TC_OBJECT:
return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));
//more othrer case
继续追踪readOrdinaryObject方法，发现readReslove的关键代码
//判断是否有readReslove方法(desc.hasReadResolveMethod())
if (obj != null &&
handles.lookupException(passHandle) == null &&
desc.hasReadResolveMethod())
{
//执行readReslove
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);
}
}
//最终返回readReslove方法的执行结果
handles.setObject(passHandle, obj = rep);
}
}
return obj;
枚举单例 - 最完美的单例模式
大神Josh Bloch在《Effective Java》中极力推荐使用枚举的方式来实现单例。
package demo.single;
public enum EnumSingle {
SINGLE;
public void doJob(){
System.out.println("doJob");
}
}
枚举类型是单例模式的最佳选择，主要得益于JVM对于枚举类型的支持：
- JVM保证枚举类型的每个实例仅存在一份
- 枚举类型的序列化与反序列化不会破坏其单例的特性(上面的源码大家可以去找一找)
- 反射也不能破坏枚举单例
可以说，枚举天然就是单例的，那么你会选择枚举作为单例吗？