创建型模式之单例模式

1、什么是单例模式

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

2、单例模式的代码实现

1、饿汉式 - 线程安全（不推荐）

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化多次，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。

但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

2、懒汉式 - 线程不安全（不推荐）

私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ，并且此时 uniqueInstance 为 null，就会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致实例化多次 uniqueInstance。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

3、懒汉式 - 线程安全（不推荐）

直接对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了实例化多次 uniqueInstance。

但是当一个线程进入该方法之后，即使 uniqueInstance 已经被实例化了，其它试图进入该方法的线程也必须等待。这会让线程阻塞时间过长，因此该方法有性能问题，不推荐使用。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
	}
}

4、双重校验锁 - 线程安全（推荐）

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要对实例化部分的代码进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

public class Singleton {

    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句：

第一个 if 语句用来避免 uniqueInstance 已经被实例化之后的加锁操作，

第二个 if 语句进行了加锁，所以只能有一个线程进入，就不会出现 uniqueInstance == null 时两个线程同时进行实例化操作。

if (uniqueInstance == null) {
    synchronized (Singleton.class) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
}

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分三步执行：

1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
2. 初始化 uniqueInstance
3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

5、静态内部类实现 - 线程安全（推荐）

当 Singleton 类被加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例，并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

5、枚举实现 - 线程安全（《Effective Java》的作者 Josh Bloch 提倡的方式）

该实现可以防止反射攻击。在其它实现中，通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。

该实现在多次序列化和序列化之后，不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段，并且实现序列化和反序列化的方法。

public class Singleton {
    //私有化构造函数
    private Singleton(){ 
    }
 
    //定义一个静态枚举类
    static enum SingletonEnum{
        //创建一个枚举对象，该对象天生为单例
        INSTANCE;
        private Singleton Singleton;
        //私有化枚举的构造函数
        private SingletonEnum(){
            Singleton=new Singleton();
        }
        public Singleton getInstnce(){
            return Singleton;
        }
    }
 
    //对外暴露一个获取User对象的静态方法
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonEnum.INSTANCE.getInstnce();
    }
}

6、如何防止反射、克隆、序列化对单例模式的破环

1、防止反射破环(虽然构造方法已私有化，但通过反射机制使用newInstance()方法构造方法也是可以被调用):

• 首先定义一个全局变量开关isFristCreate默认为开启状态
• 当第一次加载时将其状态更改为关闭状态

2、防止克隆破环

• 重写clone()，直接返回单例对象

3、防止序列化破环

• 添加readResolve()，返回Object对象

public class Singleton implements Serializable,Cloneable{
    private static final long serialVersionUID = 6125990676610180062L;
    private static volatile Singleton singleton;
    // 防止反射破环，标志位默认是 true
    private static boolean isFristCreate = true; 
    
    private Singleton(){
            if (isFristCreate) {
                synchronized (Singleton.class) {
　　　　　　　　　　　　if (isFristCreate) {
　　　　　　　　　　　　　　isFristCreate = false;
　　　　　　　　　　　　}
                }
            }else{
                throw new RuntimeException("已然被实例化一次，不能在实例化");
            }
    }
    
    public  static Singleton getInstance(){
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
    
    @Override
    protected Singleton clone() throws CloneNotSupportedException {
        return singleton;
    }
    
    private Object readResolve() {
        return singleton;
    }
}