苏渠的Java之旅

彻底理解单例设计模式

单例设计模式

1. 单例模式概念

单例模式（Singleton Pattern）是Java中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

2. 单例模式结构

单例模式的主要有以下角色：
- 单例类。只能创建一个实例的类
- 访问类。使用单例类

3. 实现之一饿汉式

饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建

方式一：静态变量

public class Singleton {
    
    //创建一个私有的无参构造方法
    private Singleton(){}
    
    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance = new Singleton();
    
    //给外部提供一个静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }

}

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并创建Singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。

方式二：静态代码块的方式

public class Singleton {
    
    //私有的无参构造方法
    private Singleton(){}
    
    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance = null;
    
    //静态代码块
    static {
        instance = new Singleton();
    }
    
    //给外部提供一个静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，而对象的创建是在静态代码块中，也是随着类的加载而创建。所以和饿汉式的方式1基本上一样，当然该方式也存在内存浪费问题。

4. 实现之二懒汉式

懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建

方式一（线程不安全）

public class Singleton {
    private Singleton(){}

    private static Singleton instance = null;

    public static Singleton getInstance(){
        //判断instance是否为空（是否为第一次创建）
        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

该方式在成员位置**声明**Singleton类型的静态变量，并没有进行对象的赋值操作。当调用getInstance()方法获取Singleton类的对象的时候才创建Singleton类的对象，这样就实现了懒加载的效果。但是，如果是多线程环境，会出现线程安全问题

方式二（加锁，线程安全）

public class Singleton {
    private Singleton(){}

    private static Singleton instance = null;

    //加锁机制保证线程安全
    public synchronized static Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

该方式也实现了懒加载效果，同时又解决了线程安全问题。但是在getInstance()方法上添加了synchronized关键字，导致该方法的执行效率特别低。从上面代码我们可以看出，其实就是在初始化instance的时候才会出现线程安全问题，一旦初始化完成就不存在了。

方式三（DCL双重锁机制）

public class Singleton {
    private Singleton(){}

    private static Singleton instance = null;

    public static Singleton getInstance(){
        //第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例
        if (instance == null){
            synchronized (Singleton.class){
                //抢到锁后，第二次判断
              if (instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁模式是一种非常好的单例实现模式，解决了单例、性能、线程安全问题。上面的双重检测锁模式看上去完美无缺，其实是存在问题，在多线程的情况下，可能会出现空指针问题，出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。

方式四（带有volatile的DCL单例模式，使用 volatile 关键字, volatile 关键字可以保证可见性和有序性）推荐使用

public class Singleton {
    private Singleton(){}

    private static volatile Singleton instance = null;

    public static Singleton getInstance(){
        //第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例
        if (instance == null){
            synchronized (Singleton.class){
                //抢到锁后，第二次判断
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

添加 volatile 关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例实现模式，能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题。

方式五（静态内部类方式）推荐使用
```
public class Singleton {

    private Singleton(){}

    //静态内部类
    private static class SingletonBuilder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonBuilder.INSTANCE;
    }
}
```
静态内部类单例模式中实例由内部类创建，由于 JVM 在加载外部类的过程中，是不会加载静态内部类的，只有内部类的属性/方法被调用时才会被加载，并初始化其静态属性。静态属性由于被 static 修饰，保证只被实例化一次，并且严格保证实例化顺序

第一次加载Singleton类时不会去初始化INSTANCE，只有第一次调用getInstance，虚拟机加载SingletonBuilder并初始化INSTANCE，这样不仅能确保线程安全，也能保证 Singleton 类的唯一性。

静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式，是开源项目中比较常用的一种单例模式。在没有加任何锁的情况下，保证了多线程下的安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。

5. 单例模式的破坏与解决方案

上述创建单例模式的方式，有些是"安全"的，但所指的"安全"都是相对的，因为Java有个非常强大的机制：反射
使用**序列化和反射**可以让上面定义的单例类（Singleton）创建多个对象。

5.1 序列化反序列化

演示序列化反序列化破坏单例模式

//Singleton类
public class Singleton implements Serializable {
    private Singleton() {
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

public class DemoTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //往文件中写对象
        writeObjectToFile();
        //从文件中读取对象
        Singleton instance1 = readObjectFromFile();
        Singleton instance2 = readObjectFromFile();
	System.out.println(instance1 == instance2)//false
    }

    private static Singleton readObjectFromFile() throws Exception {
        //创建对象输入流对象
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\Users\\Desktop\\a.txt"));
        //第一个读取Singleton对象
        Singleton instance = (Singleton) ois.readObject();
        return instance;

    }

    private static void writeObjectToFile() throws Exception {
        //获取Singleton类的对象
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        //创建对象输出流
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\Users\\Desktop\\a.txt"));
        //将instance对象写出到文件中
        oos.writeObject(instance);
    }

}

上面代码运行结果是false，表明序列化和反序列化已经破坏了单例设计模式

解决方案：

在Singleton类中添加readResolve()方法，在反序列化时被反射调用，如果定义了这个方法，就返回这个方法的值，如果没有定义，则返回新new出来的对象。

public class Singleton implements Serializable {

    private Singleton() {}

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

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
    
    /**
     * 下面是为了解决序列化反序列化破解单例模式
     * 加readResolve方法，方法名固定不可变
     */
    private Object readResolve() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

源码解析：为什么readResolve()可以解决序列化破坏单例的问题？
1. 我们从ObjectInputStream的readObject入手，readObject源码
2. readObject0源码：重点关注方法内的switch语句
  
  checkResolve方法：检查对象并替换，readOrdinaryObject方法：读取二进制对象
3. readOrdinaryObject源码：
  
  可以看到，readOrdinaryObject()方法是通过desc.isInstantiable() 来判断是否需要new一个对象，如果返回true，方法通过反射的方式调用无参构造方法新建一个对象；如果返回false，返回null。
4. isInstantiable源码：
  
  cons是一个构造函数，cons ≠ null 是判断类的构造方法是否为空；但Class类的构造方法肯定不为空，所以isInstantiable()返回true，也就是说 obj 接收的一定是一个new的对象。
5. readOrdinaryObject初始化后的源码：
  
  .
  
  要让判断语句为true，hasReadResolveMethod是关键。
6. hasReadResolveMethod源码
  
  即readResolveMethod是否为null。
  
  对readResolveMethod赋值，通过反射获得类中名为readResolve的方法。也就是说，如果目标类有readResolve方法，那就通过反射的方式调用要被反序列化的类中的readResolve方法，返回一个对象，然后把这个新的对象复制给之前创建的obj（即最终返回的对象）
7. 回到readOrdinaryObject初始化后的源码：
  
  当整个判断语句为true时，执行Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
  
  invoke的意思是调用，看到这大家应该就明白了。
  
  通过反射调用 Singleton 类中的 readResolve 方法，将返回值赋值给rep变量
  
  这样多次调用ObjectInputStream类中的readObject方法，继而就会调用我们定义的readResolve方法，所以返回的是同一个对象。

5.2 反射

演示反射破坏单例模式

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

    private static volatile Singleton instance = null;

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

public class DemoTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //获取Singleton类的反射对象
        Class clazz = Singleton.class;
        //获取Singleton类的私有构造方法
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
        //设置取消访问检查
        constructor.setAccessible(true);

        //通过构造方法创建Singleton类的对象实例
        Singleton instance1 = (Singleton) constructor.newInstance();
        Singleton instance2 = (Singleton) constructor.newInstance();

        System.out.println(instance1 == instance2);//false
    }
}

上面代码运行结果是false，表明反射已经破坏了单例设计模式