一个单例模式，被问7个问题，难！
故事
我技术群里的一位小伙伴，昨天去面试，就因为一个单例模式，然后叫他回去等通知了。
下面是这位同学被问到的问题：
1、说说单例模式的特点？
2、你知道单例模式的具体使用场景吗？
3、单例模式常见写法有几种？
4、怎么样保证线程安全？
5、怎么不会被反射攻击？
6、怎样保证不会被序列化和反序列化的攻击？
7、枚举为什么会不会被序列化？
.....
你也可以尝试行的回答这几个题，看看自己能回答上几个。
定义
单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。单例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。
特点：
- 1、单例类只能有一个实例。
- 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
- 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例
- 4、隐藏所有的构造方法
**目的：**保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
案例：一家企业只能有一个CEO，有多个了其实乱套了。
使用场景
需要确保任何情况下都绝对只有一个实例。
比如：ServletContext、ServletConfig、ApplicationContext、DBTool等，都使用到了单列模式。
单例模式的写法
- 饿汉式
- 懒汉式（包含双重检查锁、静态内部类）
- 注册式（以枚举为例）
饿汉式
从名字上就能看出，饿汉：饿了就得先吃饱，所以，一开始就搞定了。
饿汉式主要是使用了static，饿汉式也有两种写法，但本质可以理解为是一样的。
public class HungrySingleton{
private static final HungrySingleton INSTANCE;
static {
INSTANCE=new HungrySingleton();
}
// private static final HungrySingleton INSTANCE=new HungrySingleton();
private HungrySingleton(){
}
public static HungrySingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
}
饿汉式有个致命的缺点：浪费空间，不需要也实例化。如果是成千上万个，也这么玩，想想有多恐怖。
于是，就会想到，能不能在使用的时候在实例化，从而引出了懒汉式。
懒汉式
顾名思义，就是需要的时候再创建，因为懒，你不调用我方法，我是不会干活的。
下面是懒汉式的Java代码实现：
public class LazySingleton {
private static LazySingleton lazySingleton = null;
private LazySingleton() {
}
public static LazySingleton getInstance() {
if (lazySingleton == null) {//01
lazySingleton = new LazySingleton();//02
}
return lazySingleton;
}
}
进入getInstance方法，先判断lazySingleton是否为空，为空，则创建一个对象，然后返回此对象。
但是，问题来了：
两个线程同时进入getInstance方法，然后都去执行01这行代码，都是true，然后各自进去创建一个对象，然后返回自己创建的对象。
这岂不是不满足只有唯一 一个对象的了吗？所以这类存在线程安全的问题，那怎么解决呢？
第一印象肯定都是想到加锁。于是，就有了下面的线程安全的懒加载版本：
public class LazySingleton {
private static LazySingleton lazySingleton = null;
private LazySingleton() {
}
//简单粗暴的线程安全问题解决方案
//依然存在性能问题
public synchronized static LazySingleton getInstance() {
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}
给getInstance方法加锁同步锁标志synchronized，但是又涉及到锁的问题了，同步锁是对系统性能优影响的，尽管JDK1.6后，对其做了优化，但它毕竟还是涉及到锁的开销。
每个线程调用getInstance方法时候，都会涉及到锁，所以又对此进行了优化成为了大家耳熟能详的双重检查锁。
双重检查锁
代码实现如下：
public class LazyDoubleCheckSingleton {
private static LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null;
private LazyDoubleCheckSingleton() {
}
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {//01
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {//02
lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return lazyDoubleCheckSingleton;
}
}
这段代码中，在01行，如果不为空，就直接返回，这是第一次检查。如果为空，则进入同步代码块，02行又进行一次检查。
双重检查就是现实if判断、获取类对象锁、if判断。
上面这段代码，看似没问题，其实还是有问题的，比如：指令重排序（需要有JVM知识垫底哈）
指令重排是什么意思呢？
比如java中简单的一句
lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
会被编译器编译成如下JVM指令：
memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址但是这些指令顺序并非一成不变，有可能会经过JVM和CPU的优化，指令重排成下面的顺序：
memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间
instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址
ctorInstance(memory); //2：初始化对象为了防止指令重排序，所以，我们可以使用volatile来做文章（注意：volatile能防止指令重排序和线程可见性）。
于是，更好的版本就出来了。
public class LazyDoubleCheckSingleton {
//使用volatile修饰
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null;
private LazyDoubleCheckSingleton() {
}
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return lazyDoubleCheckSingleton;
}
}
尽管相比前面的版本，确实改进了很多，但依然有同步锁，还是会影响性能问题。于是，又进行优化为静态内部类方式：
静态内部类
下面是静态内部类的代码实现：
public class LazyStaticSingleton {
private LazyStaticSingleton() {
}
public static LazyStaticSingleton getInstance() {
return LazyHolder.LAZY_STATIC_SINGLETON;
}
//需要等到外部方法调用是猜执行
//巧用内部类的特性
//JVM底层执行，完美的规避了线程安全的问题
private static class LazyHolder {
private static final LazyStaticSingleton LAZY_STATIC_SINGLETON = new LazyStaticSingleton();
}
}
利用了内部类的特性，在JVM底层，能完美的规避了线程安全的问题，这种方式也是目前很多项目里喜欢使用的方式。
但是，还是会存在潜在的风险，什么风险呢？
可以使用 反射 暴力的串改，同样也会出现创建多个实例：
反射代码实现如下：
import java.lang.reflect.Constructor;
public class LazyStaticSingletonTest {
public static void main(String[] args) {
try {
Class<?> clazz = LazyStaticSingleton.class;
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
//强行访问
constructor.setAccessible(true);
Object object = constructor.newInstance();
Object object1 = LazyStaticSingleton.getInstance();
System.out.println(object == object1);
} catch (Exception ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
}
这段代码运行结果为false。
所以，上面说的双重检查锁的方式，通过反射，还是会存在潜在的风险。怎么办呢？
在《Effect java 》这本书中，作者推荐使用枚举来实现单例模式，因为枚举不能被反射。
枚举
下面是枚举式的单例模式的代码实现：
public enum EnumSingleton {
INSTANCE;
private Object data;
public Object getData() {
return data;
}
public static EnumSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
}
我们把上面反射的那个代码，来测试这个枚举式单例模式。
public class EnumTest {
public static void main(String[] args) {
try {
Class<?> clazz = EnumSingleton.class;
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
//强行访问
constructor.setAccessible(true);
Object object = constructor.newInstance();
Object object1 = EnumSingleton.getInstance();
System.out.println(object == object1);
} catch (Exception ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
}
运行这段代码：
java.lang.NoSuchMethodException: com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.EnumSingleton.<init>()
at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:3082)
at java.lang.Class.getDeclaredConstructor(Class.java:2178)
at com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.EnumTest.main(EnumTest.java:41)
还真的不能用反射来搞。如果此时面试官，为什么枚举不能被反射呢？
为什么枚举不能被反射呢？
我们在反射的代码中
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
这行代码是获取他的无参构造方法。并且，从错误日志中，我们也可以看到，错误出现就是在getConstructor0方法中，并且，提示的是没有找到无参构造方法。
很奇怪，枚举也是类，不是说如果我们不给类显示定义构造方法时候，会默认给我们创建一个无参构造方法吗？
于是，我想到了一个办法，我们可以使用jad这个工具去反编译的我们的枚举式单例的.class文件。
找到我们的class文件所在目录，然后我们可以执行下面这个命令：
C:\Users\Administrator>jad D:\workspace\my_code\other-local-demo\target\classes
com\tian\my_code\test\designpattern\singleton\EnumSingleton.class
Parsing D:\workspace\my_code\other-local-demo\target\classes\com\tian\my_code\t
st\designpattern\singleton\EnumSingleton.class... Generating EnumSingleton.jad
注意：class文件目录以及生成的jad文件所在的目录。
然后打开EnumSingleton.jad 文件：
于是，我就想到了，那我们使用有参构造方法来创建：
public class EnumTest {
public static void main(String[] args) {
try {
Class<?> clazz = EnumSingleton.class;
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
//强行访问
constructor.setAccessible(true);
Object object = constructor.newInstance("田维常",996);
Object object1 = EnumSingleton.getInstance();
System.out.println(object == object1);
} catch (Exception ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
}
再次运行这段代码，结果：
java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417)
at com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.EnumTest.main(EnumTest.java:45)
提示很明显了，就是不让我们使用反射的方式创建枚举对象。
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);
}
}
//Modifier.ENUM就是用来判断是否为枚举的
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;
}
所以，到此，我们才算真正的理清楚了，为什么枚举不让反射的原因。
序列化破坏
我们以非线程安全的饿汉式来演示一下，看看序列化是如何破坏到了模式的。
public class ReflectTest {
public static void main(String[] args) {
// 准备两个对象，singleton1接收从输入流中反序列化的实例
HungrySingleton singleton1 = null;
HungrySingleton singleton2 = HungrySingleton.getInstance();
try {
// 序列化
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("HungrySingleton.txt");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(singleton2);
oos.flush();
oos.close();
// 反序列化
FileInputStream fis = new FileInputStream("HungrySingleton.txt");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
singleton1 = (HungrySingleton) ois.readObject();
ois.close();
System.out.println(singleton1);
System.out.println(singleton2);
System.out.println(singleton1 == singleton2);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果：
com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.HungrySingleton@7e6cbb7a
com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.HungrySingleton@452b3a41
false
看到了吗？
使用序列化是可以破坏到了模式的，这种方式，可能很多人不是很清楚。
如何防止呢？
我们对非线程安全的饿汉式代码进行稍微修改：
public class HungrySingleton implements Serializable{
private static final HungrySingleton INSTANCE;
static {
INSTANCE=new HungrySingleton();
}
private HungrySingleton(){
}
public static HungrySingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
//添加了readResolve方法，并返回INSTANCE
private Object readResolve方法，并返回(){
return INSTANCE;
}
}
再次运行上那段序列化测试的代码，其结果如下：
com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.HungrySingleton@452b3a41
com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.HungrySingleton@452b3a41
true
嘿嘿，这样我们是不是就避免了只创建了一个实例？
答案：否
在类ObjectInputStream的readObject()方法中调用了另外一个方法readObject0(false)方法。在readObject0(false)方法中调用了checkResolve(readOrdinaryObject(unshared))方法。
在readOrdinaryObject方法中有这么一段代码：
Object obj;
try {
//是否有构造方法，有构造放就创建实例
obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
} catch (Exception ex) {
...
}
//判断单例类是否有readResolve方法
if (desc.hasReadResolveMethod()) {
Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
}
//invokeReadResolve方法中
if (readResolveMethod != null) {
//调用了我们单例类中的readResolve，并返回该方法返回的对象
//注意：是无参方法
return readResolveMethod.invoke(obj, (Object[]) null);
}
绕了半天，原来他是这么玩的，上来就先创建一个实例，然后再去检查我们的单例类是否有readResolve无参方法，我们单例类中的readResolve方法
private Object readResolve(){
return INSTANCE;
}
结论
我们重写了readResolve()无参方法，表面上看是只创建了一个实例，其实只创建了两个实例。
紧接着，面试官继续问：枚举式单例能不能被序列化破坏呢？
枚举式单例能不能被序列化破坏呢？
答案：不能被破坏，请看我慢慢给你道来。
don't talk ,show me the code。
我们先来验证一下是否真的不能被破坏，请看代码：
public class EnumTest {
public static void main(String[] args) {
// 准备两个对象，singleton1接收从输入流中反序列化的实例
EnumSingleton singleton1 = null;
EnumSingleton singleton2 = EnumSingleton.getInstance();
try {
// 序列化
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("EnumSingleton.obj");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(singleton2);
oos.flush();
oos.close();
// 反序列化
FileInputStream fis = new FileInputStream("EnumSingleton.obj");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
singleton1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
ois.close();
System.out.println(singleton1);
System.out.println(singleton2);
System.out.println(singleton1 == singleton2);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果：
INSTANCE
INSTANCE
true
确实，枚举式单例是不会被序列化所破坏，那为什么呢？总得有个证件理由吧。
在类ObjectInputStream的readObject()方法中调用了另外一个方法readObject0(false)方法。在readObject0(false)方法中调用了checkResolve(readOrdinaryObject(unshared))方法。
case TC_ENUM:
return checkResolve(readEnum(unshared));
在readEnum方法中
private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException {
if (bin.readByte() != TC_ENUM) {
throw new InternalError();
}
Class<?> cl = desc.forClass();
if (cl != null) {
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
//重点
Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name);
result = en;
//...其他代码省略
}
}
}
public static <T extends Enum<T>> T valueOf(Class<T> enumType,
String name) {
//enumType.enumConstantDirectory()返回的是一个HashMap
//通过HashMap的get方法获取
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);
}
//返回一个HashMap
Map<String, T> enumConstantDirectory() {
if (enumConstantDirectory == null) {
T[] universe = getEnumConstantsShared();
if (universe == null)
throw new IllegalArgumentException(
getName() + " is not an enum type");
//使用的是HashMap
Map<String, T> m = new HashMap<>(2 * universe.length);
for (T constant : universe)
m.put(((Enum<?>)constant).name(), constant);
enumConstantDirectory = m;
}
return enumConstantDirectory;
}
所以，枚举式单例模式是使用了Map<String, T>，Map的key就是我们枚举类中的INSTANCE。由于Map的key的唯一性，然后就缔造出唯一实例。江湖上也把这个枚举式单例模式叫做注册式单例模式。
在Spring中也是有大量使用这种注册式单例模式，IOC容器就是典型的代表。
总结
本文讲述了单例模式的定义、单例模式常规写法。单例模式线程安全问题的解决，反射破坏、反序列化破坏等。
注意：不要为了套用设计模式，而使用设计模式。而是要，在业务上遇到问题时，很自然地联想单设计模式作为一种捷径方法。
单例模式的优缺点
优点
在内存中只有一个实例，减少内存开销。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
没有借口，扩展性很差。如果要扩展单例对象，只有修改代码，没有其他途径。
单例模式是 不符合开闭原则的。
知识点
单例模式的重点知识总结：
- 私有化构造器
- 保证线程安全
- 延迟加载
- 防止反射攻击
- 防止序列化和反序列化的破坏
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