单例模式

有些对象我们只需要一个，比如线程池、ServletContext、ApplicationContext、 Windows 中的回收站，此时我们便可以用到单例模式。

单例模式就是确保一个类在任何情况下都只有一个实例，并提供一个全局访问点。

1. 饿汉式单例

/**

* @author java初学者组团学习737251827

* 饿汉式单例

*/

public class HungrySingleton {

//类初始化的时候便进行对象实例化

private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();

private HungrySingleton() {

}

public static HungrySingleton getInstance() {

return hungrySingleton;

}

}

优点：

饿汉式单例是最简单的一种单例形式，它没有添加任何的锁，执行效率最高

线程安全

缺点：

某些情况下，造成内存浪费，因为对象未被使用的情况下就会被初始化，如果一个项目中的类多达上千个，在项目启动的时候便开始初始化可能并不是我们想要的。

2. 简单的懒汉式单例

想解决饿汉式单例一开始就会进行对象的初始化的问题，一个很自然的想法就是当用户调用getInstance方法的时候再进行实例的创建，修改代码如下：

/**

* @author

* 饿汉式单例

*/

public class LazySimpleSingleton {

private static LazySimpleSingleton instance;

private LazySimpleSingleton() {

}

public static LazySimpleSingleton getInstance() {

// 如果实例不存在，则进行初始化

if (instance == null) {

instance = new LazySimpleSingleton();

}

return instance;

}

}

上述代码在单线程下能够完美运行，但是在多线程下存在安全隐患。大家可以使用 IDEA 进行手动控制线程执行顺序来跟踪内存变化，下面我用图解的形式进行多线程下 3 种情形的说明。

情形 1：

每个线程依次执行 getInstance 方法，得到的结果正是我们所期望的

情形 2：

此种情形下，该种写法的单例模式会出现多线程安全问题，得到两个完全不同的对象

情形 3：

该种情形下，虽然表面上最终得到的对象是同一个，但是在底层上其实是生成了 2 个对象，只不过是后者覆盖了前者，不符合单例模式绝对只有一个实例的要求。

3. 升级的懒汉式单例

/**

* @author

* 饿汉式单例-同步锁

*/

public class LazySynchronizedSingleton {

private static LazySynchronizedSingleton instance;

private LazySynchronizedSingleton() {

}

//添加synchronized关键字

public synchronized static LazySynchronizedSingleton getInstance() {

if (instance == null) {

instance = new LazySynchronizedSingleton();

}

return instance;

}

}

升级之后的程序能完美地解决线程安全问题。

但是用synchronized加锁时，在线程数量较多的情况下，会导致大批线程阻塞，从而导致程序性能大幅下降

有没有一种形式，既能兼顾线程安全又能提升程序性能呢？有，这就是双重检查锁。

4. 双重检查锁

/**

* @author

* 双重检查锁

*/

public class LazyDoubleCheck {

// 需要添加 volatile 关键字

private volatile static LazyDoubleCheck instance;

private LazyDoubleCheck() {

}

public static LazyDoubleCheck getInstance() {

//一重检查：检查实例，如果不存在，进入同步区块

if (instance == null) {

synchronized (LazyDoubleCheck.class) {

//双重检查：进入同步区块后，再检查一次，如果仍然是null，才创建实例

if (instance == null) {

instance = new LazyDoubleCheck();

}

}

}

return instance;

}

}

第一重检查是为了确认 instance 是否已经被实例化，如果是，则无需再进入同步代码块，直接返回实例化对象，否则进入同步代码块进行创建，避免每次都排队进入同步代码块影响效率；

第二重检查是真正与实例的创建相关，如果instance未被实例化，则在此过程中被实例化。

双重检查锁版本的单例模式需要使用到volatile关键字，本文不对volatile关键字进行深入分析，之后会单独开一篇文章进行解释

但是，使用synchronized关键总归是要上锁的，对程序性能还是存在影响，下面介绍一种利用 Java 本身语法特性来实现的一种单例写法。

5. 静态内部类实现单例

/**

* @author

* 静态内部类实现单例

*/

public class LazyStaticInnerClassSingleton {

private LazyStaticInnerClassSingleton() {

}

public static final LazyStaticInnerClassSingleton getInstance() {

return LazyHolder.LAZY;

}

// 静态内部类，未被使用时，是不会被加载的

private static class LazyHolder {

private static final LazyStaticInnerClassSingleton LAZY = new LazyStaticInnerClassSingleton();

}

}

用静态内部类实现的单例本质上是一种懒汉式，因为在执行getInstance中的LazyHolder.LAZY语句之前，静态内部类并不会被加载。

这种方式既避免了饿汉式单例的内存浪费问题，又摆脱了synchronized关键字的性能问题，同时也不存在线程安全问题。

到此为止，我们介绍了 5 种单例写法（除去简单的懒汉式单例由于多线程问题无法用于生产中，其实只有 4 种），我们发现上述单例模式本质上都是将构造方法私有化，避免外部程序直接进行实例化来达到单例的目的。

那如果我们能够想办法获取到类的构造方法，或者将创建好的对象写入磁盘，然后多次加载到内存，是不是可以破坏上述所有的单例呢？

答案是肯定的，下面我们用反射和序列化两种方法亲自毁灭我们一手搭建的单例。

6. 反射破坏单例

/**

* @author

* 利用反射破坏单例

*/

public class SingletonBrokenByReflect {

public static void main(String[] args) {

try {

Class clazz = LazyStaticInnerClassSingleton.class;

//通过反射弧获取类的私有构造方法

Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);

//强制访问

c.setAccessible(true);

Object obj1 = c.newInstance();

Object obj2 = c.newInstance();

//输出false

System.out.println(obj1 == obj2);

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

如此，我们便使用反射破坏了单例。现在我们以静态内部类单例为例，解决这个问题。

我们在构造方法中添加一些限制，一旦检测到对象已经被实例化，但是构造方法仍然被调用时直接抛出异常。

/**

* @author

* 静态内部类实现单例

*/

public class LazyStaticInnerClassSingleton {

private LazyStaticInnerClassSingleton() {

if (LazyHolder.LAZY != null) {

throw new RuntimeException("实例被重复创建");

}

}

public static final LazyStaticInnerClassSingleton getInstance() {

return LazyHolder.LAZY;

}

// 静态内部类，未被使用时，是不会被加载的

private static class LazyHolder {

private static final LazyStaticInnerClassSingleton LAZY = new LazyStaticInnerClassSingleton();

}

}

7. 序列化破坏单例

单例对象创建好之后，有时需要将对象序列化然后写入磁盘，在需要时从磁盘中读取对象并加载至内存，反序列化后的对象会重新分配内存，如果序列化的目标对象恰好是单例对象，就会破坏单例模式。

/**

* @author

* 可序列化的单例

*/

public class SeriableSingleton implements Serializable {

//类初始化的时候便进行对象实例化

private static final SeriableSingleton hungrySingleton = new SeriableSingleton();

private SeriableSingleton() {

}

public static SeriableSingleton getInstance() {

return hungrySingleton;

}

}

/**

* @author

* 序列化破坏单例

*/

public class SingletonBrokenBySerializing {

public static void main(String[] args) {

SeriableSingleton s1 = SeriableSingleton.getInstance();

SeriableSingleton s2 = null;

FileOutputStream fos = null;

try {

File file;

fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");

OutputStream out;

ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);

oos.writeObject(s1);

oos.flush();

oos.close();

fos.close();

FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");

ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);

s2 = (SeriableSingleton) ois.readObject();

ois.close();

fis.close();

//输出为false

System.out.println(s1 == s2);

} catch (Exception e) {

}

}

}

从运行结果上看，反序列化和手动创建出来的对象是不一致的，违反了单例模式的初衷。

那到底如何保证在序列化的情况下也能够实现单例模式呢，其实很简单，只需要增加一个 readResolve 方法即可。

public class SeriableSingleton implements Serializable {

//类初始化的时候便进行对象实例化

private static final SeriableSingleton hungrySingleton = new SeriableSingleton();

private SeriableSingleton() {

}

public static SeriableSingleton getInstance() {

return hungrySingleton;

}

//只需要添加这一个函数即可

private Object readResolve() {

return hungrySingleton;

}

}

实现的原理涉及到ObjectInputStream的源码，不属于本文的研究重点，如果读者需要，我可以另开一篇来进行讲解。

8. 注册式单例模式

8.1 枚举式单例模式

很多博客和文章的实现方式如下（文件名：EnumSingleObject.java）

/*

* @author

* 枚举式单例1

*/

public class EnumSingleObject {

private EnumSingleObject() {

}

enum SingletonEnum {

INSTANCE;

private EnumSingleObject instance;

private SingletonEnum() {

instance = new EnumSingleObject();

}

public EnumSingleObject getInstance() {

return INSTANCE.instance;

}

}

//对外暴露一个获取EnumSingleObject对象的静态方法

public static EnumSingleObject getInstance() {

return SingletonEnum.INSTANCE.getInstance();

}

}

枚举式的写法为什么可以实现我们的单例模式呢，我们首先使用javac EnumSingleObject.java生成EnumSingleObject.class文件，用反编译工具Jad在.class 所在的目录下执行 jad EnumSingleObject.class命令，得到EnumSingleObject.jad文件，代码如下

static final class EnumSingleObject$SingletonEnum extends Enum {

public static EnumSingleObject$SingletonEnum[] values() {

return (EnumSingleObject$SingletonEnum[]) $VALUES.clone();

}

public static EnumSingleObject$SingletonEnum valueOf(String s) {

return (EnumSingleObject$SingletonEnum) Enum.valueOf(com / chanmufeng / Singleton / registerSingleton / EnumSingleObject$SingletonEnum, s);

}

public EnumSingleObject getInstance() {

return INSTANCE.instance;

}

public static final EnumSingleObject$SingletonEnum INSTANCE;

private EnumSingleObject instance;

private static final EnumSingleObject$SingletonEnum $VALUES[];

// 该static代码块是枚举写法能够实现单例模式的关键

static {

INSTANCE = new EnumSingleObject$SingletonEnum("INSTANCE", 0);

$VALUES = (new EnumSingleObject$SingletonEnum[]{

INSTANCE

});

}

private EnumSingleObject$SingletonEnum(String s, int i) {

super(s, i);

instance = new EnumSingleObject();

}

}

其实，枚举式单例在静态代码块中就为INSTANCE进行了赋值，是一种饿汉式单例模式的体现，只不过这种饿汉式是 JDK 底层为我们做的操作，我们只是利用了 JDK 语法的特性罢了。

序列化能否破坏枚举式单例

//测试序列化能否破坏

public static void main(String[] args) {

EnumSingleObject s1 = EnumSingleObject.getInstance();

EnumSingleObject s2 = null;

FileOutputStream fos = null;

try {

fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");

ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);

oos.writeObject(s1);

oos.flush();

oos.close();

fos.close();

FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");

ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);

s2 = (EnumSingleObject) ois.readObject();

ois.close();

fis.close();

//输出为false

System.out.println(s1 == s2);

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

很遗憾，序列化依然会破坏枚举式单例EnumSingleObject

What？？？不是说枚举式单例非常的优雅吗？连Effective Java 都推荐使用吗？

别急，接下来我们观察另一种写法

/**

* @author

* 枚举式单例2

*/

public enum EnumSingleObject2 {

INSTANCE;

private Object data;

public Object getData() {

return data;

}

public void setData(Object data) {

this.data = data;

}

public static EnumSingleObject2 getInstance() {

return INSTANCE;

}

}

我们再来进行序列化测试

public static void main(String[] args) {

EnumSingleObject2 s1 = EnumSingleObject2.getInstance();

s1.setData(new Object());

EnumSingleObject2 s2 = null;

FileOutputStream fos = null;

try {

fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");

ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);

oos.writeObject(s1);

oos.flush();

oos.close();

fos.close();

FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");

ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);

s2 = (EnumSingleObject2) ois.readObject();

ois.close();

fis.close();

//输出为true

System.out.println(s1 == s2);

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

打印结果为true，说明枚举式单例 2 的写法可以防止序列化破坏。

而很多文章和博客用的往往是第 1 种写法，下面我们解释这两种写法的区别.

我们进入ObjectInputStream类的readObject()方法

public final Object readObject()

throws IOException, ClassNotFoundException

{

...

try {

Object obj = readObject0(false);

...

return obj;

} finally {

...

}

}

在readObject()方法中又调用了readObject0()方法

private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {

...

//枚举式单例1的程序会进入到这里

case TC_CLASS:

return readClass(unshared);

...

//枚举式单例2的程序会进入到这里

case TC_ENUM:

return checkResolve(readEnum(unshared));

}

我们先看一下readEnum()方法

private Enum readEnum(boolean unshared) throws IOException {

...

String name = readString(false);

Enum result = null;

Class cl = desc.forClass();

if (cl != null) {

try {

@SuppressWarnings("unchecked")

//！！！！这里是重点

Enum en = Enum.valueOf((Class)cl, name);

result = en;

} catch (IllegalArgumentException ex) {

...

}

}

...

return result;

}

到这里我们发现，枚举类型其实通过类名和类对象找到唯一一个枚举对象，因此，枚举对象不会被类加载器加载多次。

而readClass()并无此功能。

反射能否破坏枚举式单例

public static void main(String[] args) {

try {

Class clazz = EnumSingleObject2.class;

//通过反射获取类的私有构造方法

Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);

//强制访问

c.setAccessible(true);

Object obj1 = c.newInstance();

Object obj2 = c.newInstance();

//输出false

System.out.println(obj1 == obj2);

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

运行结果如下

结果报了

java.lang.NoSuchMethodException异常，原因是java.lang.Enum中没有无参的构造方法，我们查看java.lang.Enum的源码，只有下面一个构造函数

protected Enum(String name, int ordinal) {

this.name = name;

this.ordinal = ordinal;

}

我们改变一下反射构建的方式

public static void main(String[] args) {

try {

Class clazz = EnumSingleObject2.class;

//通过反射获取类的私有构造方法

// Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);

Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);

//强制访问

c.setAccessible(true);

Object obj1 = c.newInstance();

Object obj2 = c.newInstance();

//输出false

System.out.println(obj1 == obj2);

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

运行结果如下

public T newInstance(Object ... initargs)

throws InstantiationException, IllegalAccessException,

IllegalArgumentException, InvocationTargetException

{

...

if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)

throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");

ConstructorAccessor ca = constructorAccessor; // read volatile

if (ca == null) {

ca = acquireConstructorAccessor();

}

@SuppressWarnings("unchecked")

T inst = (T) ca.newInstance(initargs);

return inst;

}

从源码中可以看出，newInstance()方法中做了强制性的判断，如果修饰符是Modifier.ENUM类型，则直接抛出异常。

最后介绍一种注册时单例的另一种写法：容器式单例

8.2 容器式单例模式

/**

* @author

* 容器式单例

*/

public class ContainerSingleton {

private static Map ioc = new ConcurrentHashMap();

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);

}

}

}

}

容器式单例适合用于实例非常多的情况，Spring 中就使用了该种单例模式。

总结

单例模式可以保证内存中任何情况下只有一个实例，是最简单的一种设计模式，实现起来也很简单，但是实现方式比较多，涉及到的小细节也比较多，在面试中是一个高频面试点。

单例模式不难，一篇搞懂