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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
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/** * @author 蝉沐风 * 饿汉式单例 */ public class HungrySingleton { //类初始化的时候便进行对象实例化 private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton(); private HungrySingleton() { } public static HungrySingleton getInstance() { return hungrySingleton; } } |
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：
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/** * @author 蝉沐风 * 饿汉式单例 */ public class LazySimpleSingleton { private static LazySimpleSingleton instance; private LazySimpleSingleton() { } public static LazySimpleSingleton getInstance() { // 如果实例不存在，则进行初始化 if (instance == null) { instance = new LazySimpleSingleton(); } return instance; } } |
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：
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：
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：
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
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/** * @author 蝉沐风 * 饿汉式单例-同步锁 */ public class LazySynchronizedSingleton { private static LazySynchronizedSingleton instance; private LazySynchronizedSingleton() { } //添加synchronized关键字 public synchronized static LazySynchronizedSingleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new LazySynchronizedSingleton(); } return instance; } } |
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
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/** * @author 蝉沐风 * 双重检查锁 */ public class LazyDoubleCheck { // 需要添加 volatile 关键字 private volatile static LazyDoubleCheck instance; private LazyDoubleCheck() { } public static LazyDoubleCheck getInstance() { //一重检查：检查实例，如果不存在，进入同步区块 if (instance == null) { synchronized (LazyDoubleCheck.class) { //双重检查：进入同步区块后，再检查一次，如果仍然是null，才创建实例 if (instance == null) { instance = new LazyDoubleCheck(); } } } return instance; } } |
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
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/** * @author 蝉沐风 * 静态内部类实现单例 */ public class LazyStaticInnerClassSingleton { private LazyStaticInnerClassSingleton() { } public static final LazyStaticInnerClassSingleton getInstance() { return LazyHolder.LAZY; } // 静态内部类，未被使用时，是不会被加载的 private static class LazyHolder { private static final LazyStaticInnerClassSingleton LAZY = new LazyStaticInnerClassSingleton(); } } |
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
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/** * @author 蝉沐风 * 利用反射破坏单例 */ public class SingletonBrokenByReflect { public static void main(String[] args) { try { Class<?> clazz = LazyStaticInnerClassSingleton.class; //通过反射弧获取类的私有构造方法 Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null); //强制访问 c.setAccessible(true); Object obj1 = c.newInstance(); Object obj2 = c.newInstance(); //输出false System.out.println(obj1 == obj2); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } |
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。
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/** * @author 蝉沐风 * 静态内部类实现单例 */ public class LazyStaticInnerClassSingleton { private LazyStaticInnerClassSingleton() { if (LazyHolder.LAZY != null) { throw new RuntimeException("实例被重复创建"); } } public static final LazyStaticInnerClassSingleton getInstance() { return LazyHolder.LAZY; } // 静态内部类，未被使用时，是不会被加载的 private static class LazyHolder { private static final LazyStaticInnerClassSingleton LAZY = new LazyStaticInnerClassSingleton(); } } |
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。
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/** * @author 蝉沐风 * 可序列化的单例 */ public class SeriableSingleton implements Serializable { //类初始化的时候便进行对象实例化 private static final SeriableSingleton hungrySingleton = new SeriableSingleton(); private SeriableSingleton() { } public static SeriableSingleton getInstance() { return hungrySingleton; } } /** * @author 蝉沐风 * 序列化破坏单例 */ public class SingletonBrokenBySerializing { public static void main(String[] args) { SeriableSingleton s1 = SeriableSingleton.getInstance(); SeriableSingleton s2 = null; FileOutputStream fos = null; try { File file; fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj"); OutputStream out; ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos); oos.writeObject(s1); oos.flush(); oos.close(); fos.close(); FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj"); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis); s2 = (SeriableSingleton) ois.readObject(); ois.close(); fis.close(); //输出为false System.out.println(s1 == s2); } catch (Exception e) { } } } |
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。
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public class SeriableSingleton implements Serializable { //类初始化的时候便进行对象实例化 private static final SeriableSingleton hungrySingleton = new SeriableSingleton(); private SeriableSingleton() { } public static SeriableSingleton getInstance() { return hungrySingleton; } //只需要添加这一个函数即可 private Object readResolve() { return hungrySingleton; } } |
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）
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/* * @author 蝉沐风 * 枚举式单例1 */ public class EnumSingleObject { private EnumSingleObject() { } enum SingletonEnum { INSTANCE; private EnumSingleObject instance; private SingletonEnum() { instance = new EnumSingleObject(); } public EnumSingleObject getInstance() { return INSTANCE.instance; } } //对外暴露一个获取EnumSingleObject对象的静态方法 public static EnumSingleObject getInstance() { return SingletonEnum.INSTANCE.getInstance(); } } |
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
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static final class EnumSingleObject$SingletonEnum extends Enum { public static EnumSingleObject$SingletonEnum[] values() { return (EnumSingleObject$SingletonEnum[]) $VALUES.clone(); } public static EnumSingleObject$SingletonEnum valueOf(String s) { return (EnumSingleObject$SingletonEnum) Enum.valueOf(com / chanmufeng / Singleton / registerSingleton / EnumSingleObject$SingletonEnum, s); } public EnumSingleObject getInstance() { return INSTANCE.instance; } public static final EnumSingleObject$SingletonEnum INSTANCE; private EnumSingleObject instance; private static final EnumSingleObject$SingletonEnum $VALUES[]; // 该static代码块是枚举写法能够实现单例模式的关键 static { INSTANCE = new EnumSingleObject$SingletonEnum("INSTANCE", 0); $VALUES = (new EnumSingleObject$SingletonEnum[]{ INSTANCE }); } private EnumSingleObject$SingletonEnum(String s, int i) { super(s, i); instance = new EnumSingleObject(); } } |
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
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//测试序列化能否破坏 public static void main(String[] args) { EnumSingleObject s1 = EnumSingleObject.getInstance(); EnumSingleObject s2 = null; FileOutputStream fos = null; try { fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj"); ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos); oos.writeObject(s1); oos.flush(); oos.close(); fos.close(); FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj"); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis); s2 = (EnumSingleObject) ois.readObject(); ois.close(); fis.close(); //输出为false System.out.println(s1 == s2); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } |
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
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/** * @author 蝉沐风 * 枚举式单例2 */ public enum EnumSingleObject2 { INSTANCE; private Object data; public Object getData() { return data; } public void setData(Object data) { this.data = data; } public static EnumSingleObject2 getInstance() { return INSTANCE; } } |
我们再来进行序列化测试
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public static void main(String[] args) { EnumSingleObject2 s1 = EnumSingleObject2.getInstance(); s1.setData(new Object()); EnumSingleObject2 s2 = null; FileOutputStream fos = null; try { fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj"); ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos); oos.writeObject(s1); oos.flush(); oos.close(); fos.close(); FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj"); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis); s2 = (EnumSingleObject2) ois.readObject(); ois.close(); fis.close(); //输出为true System.out.println(s1 == s2); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } |
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
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public final Object readObject() throws IOException, ClassNotFoundException { ... try { Object obj = readObject0(false); ... return obj; } finally { ... } } |
在readObject()方法中又调用了readObject0()方法
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private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException { ... //枚举式单例1的程序会进入到这里 case TC_CLASS: return readClass(unshared); ... //枚举式单例2的程序会进入到这里 case TC_ENUM: return checkResolve(readEnum(unshared)); } |
我们先看一下readEnum()方法
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private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException { ... String name = readString(false); Enum<?> result = null; Class<?> cl = desc.forClass(); if (cl != null) { try { @SuppressWarnings("unchecked") //！！！！这里是重点 Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name); result = en; } catch (IllegalArgumentException ex) { ... } } ... return result; } |
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
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public static void main(String[] args) { try { Class<?> clazz = EnumSingleObject2.class; //通过反射获取类的私有构造方法 Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null); //强制访问 c.setAccessible(true); Object obj1 = c.newInstance(); Object obj2 = c.newInstance(); //输出false System.out.println(obj1 == obj2); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } |
运行结果如下
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
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protected Enum(String name, int ordinal) { this.name = name; this.ordinal = ordinal; } |
我们改变一下反射构建的方式
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public static void main(String[] args) { try { Class<?> clazz = EnumSingleObject2.class; //通过反射获取类的私有构造方法 // Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null); Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(String.class, int.class); //强制访问 c.setAccessible(true); Object obj1 = c.newInstance(); Object obj2 = c.newInstance(); //输出false System.out.println(obj1 == obj2); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } |
运行结果如下
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
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public T newInstance(Object ... initargs) throws InstantiationException, IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException { ... 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; } |
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
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/** * @author 蝉沐风 * 容器式单例 */ public class ContainerSingleton { private static Map<String, Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String, Object>(); 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; } else { return ioc.get(className); } } } } |
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！
