深入理解单例设计模式
一、概述
单例模式是面试中经常会被问到的一个问题，网上有大量的文章介绍单例模式的实现，本文也是参考那些优秀的文章来做一个总结，通过自己在学习过程中的理解进行记录，并补充完善一些内容，一方面巩固自己所学的内容，另一方面希望能对其他同学提供一些帮助。
本文主要从以下几个方面介绍单例模式：
- 单例模式是什么
- 单例模式的使用场景
- 单例模式的优缺点
- 单例模式的实现（重点）
- 总结
二、单例模式是什么
23 种设计模式可以分为三大类：创建型模式、行为型模式、结构型模式。单例模式属于创建型模式的一种，单例模式是最简单的设计模式之一：单例模式只涉及一个类，确保在系统中一个类只有一个实例，并提供一个全局访问入口。许多时候整个系统只需要拥有一个全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为。
三、单例模式的使用场景
1、 日志类
日志类通常作为单例实现，并在所有应用程序组件中提供全局日志访问点，而无需在每次执行日志操作时创建对象。
2、 配置类
将配置类设计为单例实现，比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息，这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。
3、工厂类
假设我们设计了一个带有工厂的应用程序，以在多线程环境中生成带有 ID 的新对象（Acount、Customer、Site、Address 对象）。如果工厂在 2 个不同的线程中被实例化两次，那么 2 个不同的对象可能有 2 个重叠的 id。如果我们将工厂实现为单例，我们就可以避免这个问题，结合抽象工厂或工厂方法和单例设计模式是一种常见的做法。
4、以共享模式访问资源的类
比如网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，如果你存在多个计数器，每一个用户的访问都刷新计数器的值，这样的话你的实计数的值是难以同步的。但是如果采用单例模式实现就不会存在这样的问题，而且还可以避免线程安全问题。
5、在Spring中创建的Bean实例默认都是单例模式存在的。
适用场景：
- 需要生成唯一序列的环境
- 需要频繁实例化然后销毁的对象。
- 创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象。
- 方便资源相互通信的环境
四、单例模式的优缺点
优点：
- 在内存中只有一个对象，节省内存空间；
- 避免频繁的创建销毁对象，减轻 GC 工作，同时可以提高性能；
- 避免对共享资源的多重占用，简化访问；
- 为整个系统提供一个全局访问点。
缺点：
- 不适用于变化频繁的对象；
- 滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为的单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；
- 如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为该对象是垃圾而被回收，这可能会导致对象状态的丢失；
五、单例模式的实现（重点）
实现单例模式的步骤如下：
- 私有化构造方法，避免外部类通过 new 创建对象
- 定义一个私有的静态变量持有自己的类型
- 对外提供一个静态的公共方法来获取实例
- 如果实现了序列化接口需要保证反序列化不会重新创建对象
1、饿汉式，线程安全
饿汉式单例模式，顾名思义，类一加载就创建对象，这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象，浪费内存空间。
优点：线程安全，没有加锁，执行效率较高
缺点：不是懒加载，类加载时就初始化，浪费内存空间
懒加载 （lazy loading）：使用的时候再创建对象
饿汉式单例是如何保证线程安全的呢？它是基于类加载机制避免了多线程的同步问题，但是如果类被不同的类加载器加载就会创建不同的实例。
代码实现，以及使用反射破坏单例：
/**
* 饿汉式单例测试
*
* @className: Singleton
* @date: 2021/6/7 14:32
*/
public class Singleton {
// 1、私有化构造方法
private Singleton(){}
// 2、定义一个静态变量指向自己类型
private final static Singleton instance = new Singleton();
// 3、对外提供一个公共的方法获取实例
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
使用反射破坏单例，代码如下：
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception{
// 使用反射破坏单例
// 获取空参构造方法
Constructor<Singleton> declaredConstructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor(null);
// 设置强制访问
declaredConstructor.setAccessible(true);
// 创建实例
Singleton singleton = declaredConstructor.newInstance();
System.out.println("反射创建的实例" + singleton);
System.out.println("正常创建的实例" + Singleton.getInstance());
System.out.println("正常创建的实例" + Singleton.getInstance());
}
}
输出结果如下：
反射创建的实例com.example.spring.demo.single.Singleton@6267c3bb
正常创建的实例com.example.spring.demo.single.Singleton@533ddba
正常创建的实例com.example.spring.demo.single.Singleton@533ddba
2、懒汉式，线程不安全
这种方式在单线程下使用没有问题，对于多线程是无法保证单例的，这里列出来是为了和后面使用锁保证线程安全的单例做对比。
优点：懒加载
缺点：线程不安全
代码实现如下：
/**
* 懒汉式单例，线程不安全
*
* @className: Singleton
* @date: 2021/6/7 14:32
*/
public class Singleton {
// 1、私有化构造方法
private Singleton(){ }
// 2、定义一个静态变量指向自己类型
private static Singleton instance;
// 3、对外提供一个公共的方法获取实例
public static Singleton getInstance() {
// 判断为 null 的时候再创建对象
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
使用多线程破坏单例，测试代码如下：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(() -> {
System.out.println("多线程创建的单例：" + Singleton.getInstance());
}).start();
}
}
}
输出结果如下：
多线程创建的单例：com.example.spring.demo.single.Singleton@18396bd5
多线程创建的单例：com.example.spring.demo.single.Singleton@7f23db98
多线程创建的单例：com.example.spring.demo.single.Singleton@5000d44
3、懒汉式，线程安全
懒汉式单例如何保证线程安全呢？通过 synchronized 关键字加锁保证线程安全，synchronized 可以添加在方法上面，也可以添加在代码块上面，这里演示添加在方法上面，存在的问题是每一次调用 getInstance 获取实例时都需要加锁和释放锁，这样是非常影响性能的。
优点：懒加载，线程安全
缺点：效率较低
代码实现如下：
/**
* 懒汉式单例，方法上面添加 synchronized 保证线程安全
*
* @className: Singleton
* @date: 2021/6/7 14:32
*/
public class Singleton {
// 1、私有化构造方法
private Singleton(){ }
// 2、定义一个静态变量指向自己类型
private static Singleton instance;
// 3、对外提供一个公共的方法获取实例
public synchronized static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
4、双重检查锁（DCL， 即 double-checked locking）
实现代码如下：
/**
* 双重检查锁（DCL， 即 double-checked locking）
*
* @className: Singleton
* @date: 2021/6/7 14:32
*/
public class Singleton {
// 1、私有化构造方法
private Singleton() {
}
// 2、定义一个静态变量指向自己类型
private volatile static Singleton instance;
// 3、对外提供一个公共的方法获取实例
public synchronized static Singleton getInstance() {
// 第一重检查是否为 null
if (instance == null) {
// 使用 synchronized 加锁
synchronized (Singleton.class) {
// 第二重检查是否为 null
if (instance == null) {
// new 关键字创建对象不是原子操作
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
优点：懒加载，线程安全，效率较高
缺点：实现较复杂
这里的双重检查是指两次非空判断，锁指的是 synchronized 加锁，为什么要进行双重判断，其实很简单，第一重判断，如果实例已经存在，那么就不再需要进行同步操作，而是直接返回这个实例，如果没有创建，才会进入同步块，同步块的目的与之前相同，目的是为了防止有多个线程同时调用时，导致生成多个实例，有了同步块，每次只能有一个线程调用访问同步块内容，当第一个抢到锁的调用获取了实例之后，这个实例就会被创建，之后的所有调用都不会进入同步块，直接在第一重判断就返回了单例。
关于内部的第二重空判断的作用，当多个线程一起到达锁位置时，进行锁竞争，其中一个线程获取锁，如果是第一次进入则为 null，会进行单例对象的创建，完成后释放锁，其他线程获取锁后就会被空判断拦截，直接返回已创建的单例对象。
其中最关键的一个点就是 volatile 关键字的使用，关于 volatile 的详细介绍可以直接搜索 volatile 关键字即可，有很多写的非常好的文章，这里不做详细介绍，简单说明一下，双重检查锁中使用 volatile 的两个重要特性：可见性、禁止指令重排序
这里为什么要使用 volatile？
这是因为 new 关键字创建对象不是原子操作，创建一个对象会经历下面的步骤：
- 在堆内存开辟内存空间
- 调用构造方法，初始化对象
- 引用变量指向堆内存空间
对应字节码指令如下：
为了提高性能，编译器和处理器常常会对既定的代码执行顺序进行指令重排序，从源码到最终执行指令会经历如下流程：
最终执行指令序列
所以经过指令重排序之后，创建对象的执行顺序可能为 1 2 3 或者 1 3 2 ，因此当某个线程在乱序运行 1 3 2 指令的时候，引用变量指向堆内存空间，这个对象不为 null，但是没有初始化，其他线程有可能这个时候进入了 getInstance 的第一个 if(instance == null) 判断不为 nulll ，导致错误使用了没有初始化的非 null 实例，这样的话就会出现异常，这个就是著名的 DCL 失效问题。
当我们在引用变量上面添加 volatile 关键字以后，会通过在创建对象指令的前后添加内存屏障来禁止指令重排序，就可以避免这个问题，而且对 volatile 修饰的变量的修改对其他任何线程都是可见的。
5、静态内部类
代码实现如下：
/**
* 静态内部类实现单例
*
* @className: Singleton
* @date: 2021/6/7 14:32
*/
public class Singleton {
// 1、私有化构造方法
private Singleton() {
}
// 2、对外提供获取实例的公共方法
public static Singleton getInstance() {
return InnerClass.INSTANCE;
}
// 定义静态内部类
private static class InnerClass{
private final static Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
}
优点：懒加载，线程安全，效率较高，实现简单
静态内部类单例是如何实现懒加载的呢？首先，我们先了解下类的加载时机。
虚拟机规范要求有且只有5种情况必须立即对类进行初始化（加载、验证、准备需要在此之前开始）：
- 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 这4条字节码指令时。生成这4条指令最常见的 Java代码场景是：使用 new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（final修饰除外，被final修饰的静态字段是常量，已在编译期把结果放入常量池）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
- 使用 java.lang.reflect 包方法对类进行反射调用的时候。
- 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
- 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
- 当使用JDK 1.7的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle
实例最后的解析结果是REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic
的方法句柄，则需要先触发这个方法句柄所对应的类的初始化。
这5种情况被称为是类的主动引用，注意，这里《虚拟机规范》中使用的限定词是 “有且仅有”，那么，除此之外的所有引用类都不会对类进行初始化，称为被动引用。静态内部类就属于被动引用的情况。
当getInstance()方法被调用时，InnerClass 才在 Singleton 的运行时常量池里，把符号引用替换为直接引用，这时静态对象 INSTANCE 也真正被创建，然后再被 getInstance()方法返回出去，这点同饿汉模式。
那么 INSTANCE 在创建过程中又是如何保证线程安全的呢？在《深入理解JAVA虚拟机》中，有这么一句话:
虚拟机会保证一个类的 () 方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的 () 方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行 () 方法完毕。如果在一个类的 () 方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞(需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行()方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入()方法。同一个加载器下，一个类型只会初始化一次。)，在实际应用中，这种阻塞往往是很隐蔽的。
从上面的分析可以看出INSTANCE在创建过程中是线程安全的，所以说静态内部类形式的单例可保证线程安全，也能保证单例的唯一性，同时也延迟了单例的实例化。
6、枚举单例
代码实现如下：
/**
* 枚举实现单例
*
* @className: Singleton
* @date: 2021/6/7 14:32
*/
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void doSomething(String str) {
System.out.println(str);
}
}
优点：简单，高效，线程安全，可以避免通过反射破坏枚举单例
枚举在java中与普通类一样，都能拥有字段与方法，而且枚举实例创建是线程安全的，在任何情况下，它都是一个单例，可以直接通过如下方式调用获取实例：
Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;
使用下面的命令反编译枚举类
javap Singleton.class
得到如下内容
Compiled from "Singleton.java"
public final class com.spring.demo.singleton.Singleton extends java.lang.Enum<com.spring.demo.singleton.Singleton> {
public static final com.spring.demo.singleton.Singleton INSTANCE;
public static com.spring.demo.singleton.Singleton[] values();
public static com.spring.demo.singleton.Singleton valueOf(java.lang.String);
public void doSomething(java.lang.String);
static {};
}
从枚举的反编译结果可以看到，INSTANCE 被 static final 修饰，所以可以通过类名直接调用，并且创建对象的实例是在静态代码块中创建的，因为 static 类型的属性会在类被加载之后被初始化，当一个Java类第一次被真正使用到的时候静态资源被初始化、Java类的加载和初始化过程都是线程安全的，所以创建一个enum类型是线程安全的。
通过反射破坏枚举，实现代码如下：
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;
singleton.doSomething("hello enum");
// 尝试使用反射破坏单例
// 枚举类没有空参构造方法，反编译后可以看到枚举有一个两个参数的构造方法
Constructor<Singleton> declaredConstructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
// 设置强制访问
declaredConstructor.setAccessible(true);
// 创建实例，这里会报错，因为无法通过反射创建枚举的实例
Singleton enumSingleton = declaredConstructor.newInstance();
System.out.println(enumSingleton);
}
}
运行结果报如下错误：
Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
at java.base/java.lang.reflect.Constructor.newInstanceWithCaller(Constructor.java:492)
at java.base/java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:480)
at com.spring.demo.singleton.Test.main(Test.java:24)
查看反射创建实例的 newInstance() 方法，有如下判断：
所以无法通过反射创建枚举的实例。
六、总结
在java中，如果一个Singleton类实现了java.io.Serializable接口，当这个singleton被多次序列化然后反序列化时，就会创建多个Singleton类的实例。为了避免这种情况，应该实现 readResolve 方法。请参阅 javadocs 中的 Serializable () 和 readResolve Method () 。
public class Singleton implements Serializable {
// 1、私有化构造方法
private Singleton() {
}
// 2、对外提供获取实例的公共方法
public static Singleton getInstance() {
return InnerClass.instance;
}
// 定义静态内部类
private static class InnerClass{
private final static Singleton instance = new Singleton();
}
// 对象被反序列化之后，这个方法立即被调用，我们重写这个方法返回单例对象.
protected Object readResolve() {
return getInstance();
}
}
使用单例设计模式需要注意的点：
- 多线程- 在多线程应用程序中必须使用单例时，应特别小心。
- 序列化- 当单例实现 Serializable 接口时，他们必须实现 readResolve 方法以避免有 2 个不同的对象。
- 类加载器- 如果 Singleton 类由 2 个不同的类加载器加载，我们将有 2 个不同的类，每个类加载一个。
- 由类名表示的全局访问点- 使用类名获取单例实例。这是一种访问它的简单方法，但它不是很灵活。 如果我们需要替换Sigleton类，代码中的所有引用都应该相应地改变。
本文简单介绍了单例设计模式的几种实现方式，除了枚举单例，其他的所有实现都可以通过反射破坏单例模式，在《effective java》中推荐枚举实现单例模式，在实际场景中使用哪一种单例实现，需要根据自己的情况选择，适合当前场景的才是比较好的方式。