史上最全单例模式

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

饿汉式单例

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：

简单的懒汉式单例

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：

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：

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：

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

带有同步锁的懒汉式单例

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

双重检查锁

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

静态内部类实现单例

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

反射破坏单例

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。

防止反射破坏单例

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。

序列化破坏单例

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。

解决序列化破坏单例的问题

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）

枚举式单例版本1

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

枚举的反编译结果

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

序列化破坏版本1的枚举式单例

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

枚举式单例版本2

我们再来进行序列化测试

序列化测试版本2的枚举式单例

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

readObject源码

在readObject()方法中又调用了readObject0()方法

readObject0源码

我们先看一下readEnum()方法

readEnum源码

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

反射无法破坏枚举式单例

运行结果如下

image-20211024210253823

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

image-20211025094928402

我们改变一下反射构建的方式

反射无法破坏枚举式单例

运行结果如下

image-20211024212215573

Cannot reflectively create enum objects，即不能用反射来创建枚举对象，这是Constructor的newInstance()方法在源码上决定的，继续看

反射源码

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

容器式单例

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。

我是蝉沐风，那些看似微不足道的坚持，会突然在某一天让你看到它的意义，欢迎大家留言！