设计模式——单例模式

健程之道

修改于 2020-03-11 11:01:56

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修改于 2020-03-11 11:01:56

文章被收录于专栏：健程之道健程之道

关于单例模式，这是面试时最容易遇到的问题。当时以为很简单的内容，深挖一下，也可以关联出类加载、序列化等知识。

饿汉式

我们先来看看基本的饿汉式写法：

public class Hungry {

    private static final Hungry instance = new Hungry();

    private Hungry() {}

    public Hungry getInstance() {
        return instance;
    }
}

优点：写法简答，不需要考虑多线程等问题。

缺点：如果该实例从未被用到的话，相当于资源浪费。

static 代码块

我们也可以用 static 代码块的方式，实现饿汉式：

public class Hungry {

    private static final Hungry instance;

    static {
        instance = new Hungry();
    }

    private Hungry() {}

    public Hungry getInstance() {
        return instance;
    }
}

这就是利用了 static 代码块的功能：它是随着类的加载而执行，只执行一次，并优先于主函数。

懒汉式

我们先来看看基本的懒汉式写法：

public class Lazy {

    private static volatile Lazy instance;

    private Lazy(){}

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

这里就涉及到了很多知识点，让我们一一讲解。

volatile

这里使用 volatile，主要是为了禁止指令重排序。

主要就是针对 instance = new Lazy(); 这1行命令，在 JVM 中至少对应3条指令：
1. 给 instance 分配内存空间。
2. 调用 Lazy 的构造方法等来初始化 instance。
3. 将 instance 对象指向分配的内存空间（执行完这一步，instance 就不是 null 了）。

这里需要注意，JVM 会对指令进行优化排序，就是第 2 步与第 3 步的顺序是不一定的，可能是 1-2-3 ，也可能是 1-3-2 。

如果是后者，可能1个线程执行完 1-3 之后，另一个线程进入了

以上这一段想必就是大家平常看到的解释了，原本我对此也是深信不疑的，但是因为本地一直无法复现，因此让我产生了怀疑。

查阅资料后，可能是和以下两点有关。

Intel 64/IA-32架构下的内存访问重排序

指令重排发生在处理器平台，对于Java来说是看不到的，因为Jvm基于线程栈，所有的读写都对应了 store 操作，而Intel 64/IA-32架构下处理器不需要LoadLoad、LoadStore、StoreStore屏障，因此不会发生需要这三种屏障的重排序。所以，store 操作之间是不会重排序的。

JMM

JMM 抽象地将内存分为主内存和本地内存，各个线程有各自的本地内存。

如果2个线程在执行Lazy.getInstance()方法，instance作为 static 修改的变量，处于主内存中，两个线程会各自复制instance到本地内存中，当线程1执行instance = new Lazy();方法，除非全部结束，否则不会将本地内存中的instance写回主内存中。

以上也可能是我想错了，但欢迎大家一起探讨。

double-check

为什么要有双重检查呢？

第二个 if 判定：是为了保证当有两个线程同时通过了第一个 if 判定，一个线程获取到锁，生成了 Lazy 的一个实例，然后第二个线程获取到锁，如果没有第二个 if 判断，那么此时会再次生成生成 Lazy 的一个实例。
第一个 if 判定：是为了保证多线程同时执行，如果没有第一个 if 判断，所有线程都会串行执行，效率低下。

静态内部类

也可以利用静态内部类来实现：

public class Lazy {

    private Lazy() {}

    private static class InnerLazy {
        private static final Lazy INSTANCE = new Lazy();
    }

    public static Lazy getInstance() {
        return InnerLazy.INSTANCE;
    }
}

为什么这样能实现懒加载呢？

因为只有当调用InnerLazy.INSTANCE时，才会对 InnnerLazy 类进行初始化，然后才会调用 Lazy 的构造方法，这也是由类加载机制保证的：

遇到 new 、getstatic、putstatic 或者 invokestatic 这 4 条字节码指令时，如果没有对类进行初始化，则需要先触发其初始化。
这4个指令对应的 Java 场景是：使用 new 新建一个 Java 对象，访问或者设置一个类的静态字段，访问一个类的静态方法的时候。

优缺点

以上方法的优缺点：

优点：使用的时候才会进行初始化，拥有更好的资源优化。

缺点：

除去最后一种静态内部类之外，写法都比较繁琐。
如果使用反射或者反序列化，依旧可以强制生成新的实例。

针对第2点，我们可以举例子来说明一下：

public class Lazy implements Serializable {

    public String name;

    private Lazy() {
        name = String.valueOf(System.currentTimeMillis());
    }

    private static class InnerLazy {
        private static final Lazy INSTANCE = new Lazy();
    }

    public static Lazy getInstance() {
        return InnerLazy.INSTANCE;
    }

    public void print() {
        System.out.println("Lazy print : " + name);
    }

    public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, InstantiationException, IOException, ClassNotFoundException {
        Lazy instance1 = Lazy.getInstance();
        instance1.print();

        // 反射
        Lazy instance3 = Lazy.class.newInstance();
        instance3.print();
        System.out.println(instance1 == instance3);

        // 反序列化
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("file"));
        oos.writeObject(instance1);
        oos.close();
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("file"));
        Lazy instance2 = (Lazy) ois.readObject();
        instance2.print();
        System.out.println(instance1 == instance2);
    }
}

输出结果为：

Lazy print : 1583410057762
Lazy print : 1583410057768
false
Lazy print : 1583410057762
false

说明反射和反序列化，都会破坏以上写法的单例特征。那该如何解决呢？

针对反射，解决起来比较简单，可以在构造方法中判断一下 InnerLazy.INSTANCE ，如果不为 null ，则抛出异常。
针对反序列化，可以实现接口 Serializable ，重写 readResolve 方法，返回单例对象 InnerLazy.INSTANCE。

看看修改后的代码：

package singleton;

import java.io.*;

public class Lazy implements Serializable {

    public String name;

    private Lazy() {
        if (InnerLazy.INSTANCE != null) {
            throw new RuntimeException("can not be invoked");
        }
        name = String.valueOf(System.currentTimeMillis());
    }

    private static class InnerLazy {
        private static final Lazy INSTANCE = new Lazy();
    }

    public static Lazy getInstance() {
        return InnerLazy.INSTANCE;
    }

    public void print() {
        System.out.println("Lazy print : " + name);
    }

    private Object readResolve() {
        return InnerLazy.INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, InstantiationException, IOException, ClassNotFoundException {
        Lazy instance1 = Lazy.getInstance();
        instance1.print();

        // 反序列化
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("file"));
        oos.writeObject(instance1);
        oos.close();
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("file"));
        Lazy instance2 = (Lazy) ois.readObject();
        instance2.print();
        System.out.println(instance1 == instance2);

        // 反射
        Lazy instance3 = Lazy.class.newInstance();
        instance3.print();
        System.out.println(instance1 == instance3);
    }
}

运行结果为：

Lazy print : 1583409803987
Lazy print : 1583409803987
true
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: can not be invoked
    at singleton.Lazy.<init>(Lazy.java:11)
    at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(NativeConstructorAccessorImpl.java:62)
    at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45)
    at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:423)
    at java.lang.Class.newInstance(Class.java:442)
    at singleton.Lazy.main(Lazy.java:46)

枚举类

针对上面的缺点，我们也可以用 enum 解决。来看看写法：

package singleton;

import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;

import java.io.IOException;

public enum Singleton {

    INSTANCE;

    private String name;

    private Singleton() {
        name = String.valueOf(System.currentTimeMillis());
    }

    public void print() {
        System.out.println("Lazy print : " + name);
    }

    public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, InstantiationException, IOException {
        Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;
        instance1.print();
        // 反序列化
        ObjectMapper objectMapper = new ObjectMapper();
        String content = objectMapper.writeValueAsString(instance1);
        Singleton instance3 = objectMapper.readValue(content, Singleton.class);
        System.out.println(instance1 == instance3);
        instance3.print();
        // 反射
        Singleton instance2 = Singleton.class.newInstance();
        System.out.println(instance1 == instance2);
        instance2.print();
    }
}

运行结果为：

Lazy print : 1583409004276
true
Lazy print : 1583409004276
Exception in thread "main" java.lang.InstantiationException: singleton.Singleton
    at java.lang.Class.newInstance(Class.java:427)
    at singleton.Singleton.main(Singleton.java:31)
Caused by: java.lang.NoSuchMethodException: singleton.Singleton.<init>()
    at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:3082)
    at java.lang.Class.newInstance(Class.java:412)
    ... 1 more

首先，枚举是不能被反射生成实例的，这也就解决了反射破坏单例的问题。

其次，在序列化枚举类型时，只会存储枚举类的引用和枚举常量的名称。随后的反序列化的过程中，这些信息被用来在运行时环境中查找存在的枚举类型对象，这也就解决了序列化破坏单例的问题。

但需要注意：这种方法属于饿汉模式，所以有浪费资源的隐患，但如果你的单例对象并不占用资源，没有状态变量，那么这种方式就很适合你。