单例模式

优点

由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显。
由于单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决（在Java EE中采用单例模式时需要注意JVM垃圾回收机制）
单例模式可以避免对资源的多重占用，例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。
单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

缺点

● 单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。单例模式为什么不能增加接口呢？因为接口对单例模式是没有任何意义的，它要求“自行实例化”，并且提供单一实例、接口或抽象类是不可能被实例化的。当然，在特殊情况下，单例模式可以实现接口、被继承等，需要在系统开发中根据环境判断。

● 单例模式对测试是不利的。在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象。

● 单例模式与单一职责原则有冲突。一个类应该只实现一个逻辑，而不关心它是否是单例的，是不是要单例取决于环境，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中。

通用类图

image-20201230201708019

图解设计模式

定义

保证一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并且提供一个全局访问点getInstance

需要隐藏其所有构造方法

优点：

在内存中只有一个实例，减少了内存开销

可以避免对资源的多重占用

设置全局访问点，严格控制访问

缺点：

没有接口，扩展困难

如果要扩展单例对象，只有修改代码，没有别的途径

应用场景

ServletContext

ServletConfig

ApplicationContext

DBPool

要求生成唯一序列号的场景
在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据，例如一个Web页面上的计数器，可以不用把每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保是线程安全的；
创建一个对象需要消耗的资源过多，如要访问IO和数据库等资源；
需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式（当然，也可以直接声明为static的方式）。

常见的单例模式写法

饿汉式单例

饿汉式就是在初始化的时候就初始化实例

两种代码写法如下：

public class HungrySingleton {
    private static final HungrySingleton HUNGRY_SINGLETON = new HungrySingleton();

    private HungrySingleton() {

    }

    private static HungrySingleton getInstance() {
        return HUNGRY_SINGLETON;
    }
}

public class HungryStaticSingleton {
    private static final HungryStaticSingleton HUNGRY_SINGLETON;

    static {
        HUNGRY_SINGLETON = new HungryStaticSingleton();
    }

    private HungryStaticSingleton() {

    }

    private static HungryStaticSingleton getInstance() {
        return HUNGRY_SINGLETON;
    }
}

如果没有使用到这个对象，因为一开始就会初始化实例，这种方式会浪费内存空间

优点

无锁
效率高，一开始就初始化了

缺点

内存的浪费
在大量的出现的时候不适合

懒汉式单例

懒汉式单例为了解决上述问题，则是在用户使用的时候才初始化单例

public class LazySimpleSingleton {
    private static LazySimpleSingleton lazySimpleSingleton = null;

    private LazySimpleSingleton() {
    }

    public static LazySimpleSingleton getInstance() {
        //加上空判断保证初只会初始化一次
        if (lazySimpleSingleton == null) {
            lazySimpleSingleton = new LazySimpleSingleton();//11行
        }
        return lazySimpleSingleton;
    }
}

上述方式，线程不安全,如果两个线程同时进入11行，那么会创建两个对象，需要如下，给方法加锁

可以使用Idea的线程模式debug来查看

public class LazySimpleSingleton {
    private static LazySimpleSingleton lazySimpleSingleton = null;

    private LazySimpleSingleton() {

    }

    public synchronized static LazySimpleSingleton getInstance() {
        //加上空判断保证初只会初始化一次
        if (lazySimpleSingleton == null) {
            lazySimpleSingleton = new LazySimpleSingleton();
        }
        return lazySimpleSingleton;
    }
}

上述方式虽然解决了线程安全问题，但是整个方法都是锁定的，CPU线程都阻塞在这里，导致程序整体的处理性能大幅降低，所以我们使用方法内加锁的方式解决提高性能

Double checked

public class LazySimpleSingleton {
    private static LazySimpleSingleton lazySimpleSingleton = null;

    private LazySimpleSingleton() {

    }

    public static LazySimpleSingleton getInstance() {
        //加上空判断保证初只会初始化一次
        if (lazySimpleSingleton == null) {
            synchronized (LazySimpleSingleton.class) {//11行
                lazySimpleSingleton = new LazySimpleSingleton();
            }
        }
        return lazySimpleSingleton;
    }
}

上述方式如果两个线程同时进入了11行，一个线程a持有锁，一个线程b等待，当持有锁的a线程释放锁之后到return的时候，第二个线程b进入了11行内部，创建了一个新的对象，那么这时候创建了两个线程，对象也并不是单例的。所以我们需要在12行位置增加一个对象判空的操作。

public class LazySimpleSingleton {
    private static LazySimpleSingleton lazySimpleSingleton = null;

    private LazySimpleSingleton() {

    }

    public static LazySimpleSingleton getInstance() {
        //加上空判断保证初只会初始化一次
        if (lazySimpleSingleton == null) {
            synchronized (LazySimpleSingleton.class) {
                if (lazySimpleSingleton != null) {
                    lazySimpleSingleton = new LazySimpleSingleton();
                }
            }
        }
        return lazySimpleSingleton;
    }
}

指令重排序的问题

上述方式还是有风险的，因为CPU执行时候会转化成JVM指令执行：

1.分配内存给对象

2.初始化对象

3.将初始化好的对象和内存地址建立关联，赋值

4.用户初次访问

这种方式，在cpu中3步和4步有可能进行指令重排序。有可能用户获取的对象是空的。那么我们可以使用volatile关键字，作为内存屏障，保证对象的可见性来保证我们对象的单一。

public class LazySimpleSingleton {
    private static volatile LazySimpleSingleton lazySimpleSingleton = null;

    private LazySimpleSingleton() {

    }

    public static LazySimpleSingleton getInstance() {
        //加上空判断保证初只会初始化一次
        if (lazySimpleSingleton == null) {
            synchronized (LazySimpleSingleton.class) {
                if (lazySimpleSingleton != null) {
                    lazySimpleSingleton = new LazySimpleSingleton();
                }
            }
        }
        return lazySimpleSingleton;
    }
}

静态内部类单例

还有一种懒汉式单例，利用静态内部类在调用的时候等到外部方法调用时才执行，巧妙的利用了内部类的特性，jvm底层逻辑来完美的避免了线程安全问题

public class LazyInnerClassSingleton {
    private LazyInnerClassSingleton() {

    }

    public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
        return LazyHolder.LAZY;
    }

    private static class LazyHolder {
        private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
    }
}

JackSon初始化案例

public static ObjectMapper getInstance() {
  return JacksonHolder.INSTANCE;
}

private static class JacksonHolder {
  private static final ObjectMapper INSTANCE = new JacksonObjectMapper();
}
private static class JacksonObjectMapper extends ObjectMapper {
  private static final long serialVersionUID = 4288193147502386170L;

  private static final Locale CHINA = Locale.CHINA;

  public JacksonObjectMapper(ObjectMapper src) {
    super(src);
  }

  public JacksonObjectMapper() {
    super();
    //设置地点为中国
    super.setLocale(CHINA);
    //去掉默认的时间戳格式
    super.configure(SerializationFeature.WRITE_DATES_AS_TIMESTAMPS, false);
    //设置为中国上海时区
    super.setTimeZone(TimeZone.getTimeZone(ZoneId.systemDefault()));
    //序列化时，日期的统一格式
    super.setDateFormat(new SimpleDateFormat(DateUtil.PATTERN_DATETIME, Locale.CHINA));
    // 单引号
    super.configure(JsonParser.Feature.ALLOW_SINGLE_QUOTES, true);
    // 允许JSON字符串包含非引号控制字符（值小于32的ASCII字符，包含制表符和换行符）
    super.configure(JsonReadFeature.ALLOW_UNESCAPED_CONTROL_CHARS.mappedFeature(), true);
    super.configure(JsonReadFeature.ALLOW_BACKSLASH_ESCAPING_ANY_CHARACTER.mappedFeature(), true);
    super.findAndRegisterModules();
    //失败处理
    super.configure(SerializationFeature.FAIL_ON_EMPTY_BEANS, false);
    super.configure(DeserializationFeature.FAIL_ON_UNKNOWN_PROPERTIES, false);
    //单引号处理
    super.configure(JsonReadFeature.ALLOW_SINGLE_QUOTES.mappedFeature(), true);
    //反序列化时，属性不存在的兼容处理s
    super.getDeserializationConfig().withoutFeatures(DeserializationFeature.FAIL_ON_UNKNOWN_PROPERTIES);
    //日期格式化
    super.registerModule(new BladeJavaTimeModule());
    super.findAndRegisterModules();
  }

  @Override
  public ObjectMapper copy() {
    return new JacksonObjectMapper(this);
  }
}

反射破坏单例

这种方式虽然能够完美单例，但是我们如果使用反射的方式如下所示，则会破坏单例

public class LazyInnerClassTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
        Class clazz = LazyInnerClassSingleton.class;
        Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
        c.setAccessible(true);
        Object o1 = c.newInstance();
        Object o2 = LazyInnerClassSingleton.getInstance();
        System.out.println(o1 == o2);
    }
}

构造方法中增加异常信息避免反射

怎么办呢，我们需要一种方式控制访问者的行为，通过异常的方式去限制使用者的行为,如下所示

public class LazyInnerClassSingleton {
    private LazyInnerClassSingleton() {
        throw new RuntimeException("不允许构建多个实例");
    }

    public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
        return LazyHolder.LAZY;
    }

    private static class LazyHolder {
        private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
    }
}

还有一种方式会破坏单例，那就是序列化破坏我们的单例，如下所示

序列化破坏单例

我们写一个序列化的方法来尝试一下上述写法是否是满足序列化的。

public class SeriableSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        SeriableSingleton seriableSingleton = SeriableSingleton.getInstance();
        SeriableSingleton s2;
        FileOutputStream fos = null;
        FileInputStream fis = null;

        try {
            fos = new FileOutputStream("d.o");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(seriableSingleton);
            oos.flush();
            oos.close();
            fis = new FileInputStream("d.o");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            s2 = (SeriableSingleton) ois.readObject();
            ois.close();
            System.out.println(seriableSingleton);
            System.out.println(s2);
            System.out.println(s2 == seriableSingleton);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (fos != null) {
                    fos.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            if (fis != null) {
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

为什么序列化会破坏单例呢，我们查看ObjectInputStream的源码

首先，我们查看ObjectInputStream的readObject方法

img

查看readObject0方法

img

查看checkResolve(readOrdinaryObject(unshared)方法可以看到

img

红框内三目运算符内如果desc.isInstantiable()为真就创建新对象，不为空就返回空，此时我们查看desc.isInstantiable()方法

img

此处cons是

img

如果有构造方法就会返回true,当然我们一个类必然会有构造方法的，所以这就是为什么序列化会破坏我们的单例

解决

桥接模式

那么怎么办呢，我们只需要重写readResolve方法就行了

public class SeriableSingleton implements Serializable {
    private SeriableSingleton() {
        throw new RuntimeException("不允许构建多个实例");
    }

    public static final SeriableSingleton getInstance() {
        return LazyHolder.LAZY;
    }

    private static class LazyHolder {
        private static final SeriableSingleton LAZY = new SeriableSingleton();
    }

    private Object readResolve() {
        return getInstance();
    }
}

为什么重写这个readResolve 的方法就能够避免序列化破坏单例呢

回到上述readOrdinaryObject方法，可以看到有一个hasReadResolveMethod方法

img

点进去

img

image-20190312225150554

可以看到 readResolveMethod在此处赋值

image-20190312225316878

也就是我们如果类当中有此方法则在hasReadResolveMethod当中返回的是true

那么会进入readOrdinaryObject的如下部分

image-20190312225733618

并且如下所示，调用我们的readResolve方法获取对象，来保证我们对象是单例的

image-20190312225838667

但是重写readResolve方法，只不过是覆盖了反序列化出来的对象，但是还是创建了两次，发生在JVM层面，相对来说比较安全，之前反序列化出来的对象会被GC回收

注册式单例

枚举单例

枚举式单例属于注册式单例，他把每一个实例都缓存到统一的容器中，使用唯一标识获取实例。也是比较推荐的一种写法，如下所示：

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    private Object data;

    public static EnumSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

反编译上述文件，可以看到

image-20190312231120106

反射尝试创建新对象

关于枚举的构造方法

image-20201231090533100

只有一个有参构造，name代表枚举key， ordinal代表对应的下标且从零开始的

尝试使用反射来模拟创建单例对象

public class EnumSingletonTest {
  public static void main(String[] args) {
    //        EnumSingleton instance = EnumSingleton.getInstance();
    //        instance.setData(new Object());

    try {
      Class clazz = EnumSingleton.class;

      Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
      c.setAccessible(true);
      //            System.out.println(c);
      Object o = c.newInstance();
      //            System.out.println(o);
    }catch (Exception e){
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

发现抛出异常

Cannot reflectively create enum objects

查看代码java.lang.reflect.Constructor#newInstance

public T newInstance(Object ... initargs)
  throws InstantiationException, IllegalAccessException,
IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{
  if (!override) {
    if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
      Class caller = Reflection.getCallerClass();
      checkAccess(caller, clazz, null, modifiers);
    }
  }
  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;
}

发现

在代码中会判断如果是枚举，那么就会抛出对应的异常。所以枚举式单例能够避免构造方法被反射调用。

序列化能不能破坏枚举

在ObjectInputStream的readObject方法中有针对枚举的判断

image-20190312231247835

image-20190312231548907

上述通过一个类名和枚举名字值来确定一个枚举值。从而枚举在序列化上是不会破坏单例的。

我们尝试使用反射来创建一个枚举对象

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    private Object data;

    EnumSingleton() {

    }

    public static EnumSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Class clazz = EnumSingleton.class;
        try {
            Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
            c.newInstance("dd", 1);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

抛出异常

image-20190312232850011

查看Constructor源码可以看到

image-20190312232036045

可以看到jdk层面如果判断是枚举会抛出异常，所以枚举式单例是一种比较推荐的单例的写法。

枚举式单例的缺点

查看源代码java.lang.Enum#valueOf

public static > T valueOf(Class enumType,
                                            String name) {
  T result = enumType.enumConstantDirectory().get(name);
  if (result != null)
    return result;
  if (name == null)
    throw new NullPointerException("Name is null");
  throw new IllegalArgumentException(
    "No enum constant " + enumType.getCanonicalName() + "." + name);
}

java.lang.Class#enumConstantDirectory

    private volatile transient Map enumConstantDirectory = null;

Map enumConstantDirectory() {
  if (enumConstantDirectory == null) {
    T[] universe = getEnumConstantsShared();
    if (universe == null)
      throw new IllegalArgumentException(
      getName() + " is not an enum type");
    Map m = new HashMap<>(2 * universe.length);
    for (T constant : universe)
      m.put(((Enum)constant).name(), constant);
    enumConstantDirectory = m;
  }
  return enumConstantDirectory;
}

一开始需要初始化，并且需要浪费一定的内存来存储

容器式单例

这种方式是通过容器的方式来保证我们对象的单例，常见于Spring的IOC容器

public class ContainerSingleton {
    private ContainerSingleton() {

    }

    private static Map ioc = new ConcurrentHashMap<>();

    public static Object getBean(String className) {
        if (!ioc.containsKey(className)) {
            Object obj = null;
            try {
                obj = Class.forName(className).newInstance();//12
                ioc.put(className, obj);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return obj;
        }
        return ioc.get(className);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            executorService.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    Object o = ContainerSingleton.getBean("com.zzjson.singleton.register.ContainerSingleton");
                    System.out.println(o + "");
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();

    }

}

这种方式测试可见

image-20190313210600349

出现了几次不同对象的情况因为我们线程在12行可能同时进入，这时候我们需要加一个同步锁如下，这样创建对象才是只会创建一个的

public class ContainerSingleton {
    private 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;
            }
        }
        return ioc.get(className);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            executorService.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    Object o = ContainerSingleton.getBean("com.zzjson.singleton.register.ContainerSingleton");
                    System.out.println(o + "");
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();

    }

}

当然我们也可以使用putIfAbsent
利用ConcurrenthashMap的特性也是通过加锁来解决的

image-20201231094841560

ThreadLocal单例

这种方式只能够保证在当前线程内的对象是单一的

public class ThreadLocalSingleton {
    private ThreadLocalSingleton() {
    }

    private static final ThreadLocal threadLocalInstance = new ThreadLocal() {
        @Override
        protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
            return new ThreadLocalSingleton();
        }

    };

    private static ThreadLocalSingleton getInstance() {
        return threadLocalInstance.get();
    }
   }

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