java设计模式之单例模式_6种写法优缺点

单例模式的多种实现方式及优劣分析

最新推荐文章于 2022-05-28 15:36:33 发布

huanghanqian

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分类专栏：设计模式文章标签：设计模式 Java

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本文详细介绍了单例模式的六种实现方法：懒汉式（线程不安全）、懒汉式（线程安全）、饿汉式、静态内部类、枚举、双重校验锁，并对比了它们的性能、并发安全性和懒加载特性。重点讨论了如何通过枚举类实现单例模式，以避免序列化和反射攻击，同时强调了枚举在实现单例模式时的优点，如自由序列化、线程安全和确保单例性。

第一种（懒汉，线程不安全）：

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}

这种写法lazy loading很明显，但是致命的是在多线程不能正常工作。

第二种（懒汉，线程安全）：

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

这种写法能够在多线程中很好的工作，而且看起来它也具备很好的lazy loading，但是，遗憾的是，效率很低，99%情况下不需要同步。

第三种（饿汉）：

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
    return instance;  
    }  
}

这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法，但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化instance显然没有达到lazy loading的效果。

第四种（静态内部类）：

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
    return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程，它跟第三种和第四种方式不同的是（很细微的差别）：第三种和第四种方式是只要Singleton类被装载了，那么instance就会被实例化（没有达到lazy loading效果），而这种方式是Singleton类被装载了，instance不一定被初始化。因为SingletonHolder类没有被主动使用，只有显示通过调用getInstance方法时，才会显示装载SingletonHolder类，从而实例化instance。想象一下，如果实例化instance很消耗资源，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在Singleton类加载时就实例化，因为我不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化instance显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第三和第四种方式就显得很合理。

第五种（枚举）：

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象，可谓是很坚强的壁垒啊，不过，个人认为由于1.5中才加入enum特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，我也很少看见有人这么写过。

第六种（双重校验锁）：

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

这个是第二种方式的升级版，俗称双重检查锁定，详细介绍请查看：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-dcl.html

既达到了线程安全，又能提高代码执行效率。这里在声明变量时使用了volatile关键字来保证其线程间的可见性；在同步代码块中使用二次检查，以保证其不被重复实例化。集合其二者，这种实现方式既保证了其高效性，也保证了其线程安全性。

在JDK1.5之后，双重检查锁定才能够正常达到单例效果。

总结

有两个问题需要注意：

1.如果单例由不同的类装载器装入，那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取，例如一些servlet容器对每个servlet使用完全不同的类装载器，这样的话如果有两个servlet访问一个单例类，它们就都会有各自的实例。

2.如果Singleton实现了java.io.Serializable接口，那么这个类的实例就可能被序列化和复原。不管怎样，如果你序列化一个单例类的对象，接下来复原多个那个对象，那你就会有多个单例类的实例。

对第一个问题修复的办法是：

private static Class getClass(String classname)      
                                         throws ClassNotFoundException {     
      ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();     
      
      if(classLoader == null)     
         classLoader = Singleton.class.getClassLoader();     
      
      return (classLoader.loadClass(classname));     
   }     
}

对第二个问题修复的办法是：

public class Singleton implements java.io.Serializable {     
   public static Singleton INSTANCE = new Singleton();     
      
   protected Singleton() {     
        
   }     
   private Object readResolve() {     
            return INSTANCE;     
      }    
}

3. 除了枚举类型外，其他的实现方式是可以被JAVA的反射机制给攻击的，即使他的构造方法是私有化的，我们也可以做一下处理，从外部得到它的实例。

把单例模式修改成不被反射攻击的形式，可以修改构造器，使得创建第二个实例的时候抛出异常。

import javax.management.RuntimeErrorException;

public class SingletonNotAttackByReflect{
    private static boolean flag = false;
    private static final SingletonNotAttackByReflect INSTANCE = new SingletonNotAttackByReflect();
    
    //保证其不被java反射攻击
    private SingletonNotAttackByReflect(){
        synchronized (SingletonNotAttackByReflect.class){
            if(false == flag){
                flag = !flag;
            }
            else{
                throw new RuntimeException("单例模式正在被攻击");
            }
            
        }
    }
    
    public static SingletonNotAttackByReflect getInstance(){
        return INSTANCE;
    }   
}

这样使用反射获取的时候：SingletonNotAttackByReflect singleton = (SingletonNotAttackByReflect) constructor.newInstance();就会抛出异常。

总结：总结，实现单例模式的唯一推荐方法，使用枚举类来实现，可以防止序列化和反射破坏单例模式。

https://www.cnblogs.com/ttylinux/p/6498822.html?utm_source=itdadao&utm_medium=referral

在用enum实现Singleton时有三个特性，自由序列化，线程安全，保证单例。这里我们就要探讨一下why的问题。

首先，我们都知道enum是由class实现的，换言之，enum可以实现很多class的内容，包括可以有member和member function，这也是我们可以用enum作为一个类来实现单例的基础。另外，由于enum是通过继承了Enum类实现的，enum结构不能够作为子类继承其他类，但是可以用来实现接口。此外，enum类也不能够被继承，在反编译中，我们会发现该类是final的。

其次，enum有且仅有private的构造器，防止外部的额外构造，这恰好和单例模式吻合，也为保证单例性做了一个铺垫。这里展开说下这个private构造器，如果我们不去手写构造器，则会有一个默认的空参构造器，我们也可以通过给枚举变量参量来实现类的初始化。

想要了解enum是如何工作的，就要对其进行反编译。

反编译后就会发现，使用枚举其实和使用静态类内部加载方法原理类似。枚举会被编译成如下形式：
public final class T extends Enum{
...
}

其中，Enum是Java提供给编译器的一个用于继承的类。枚举量的实现其实是public static final T 类型的未初始化变量，之后，会在静态代码中对枚举量进行初始化。所以，如果用枚举去实现一个单例，这样的加载时间其实有点类似于饿汉模式，并没有起到lazy-loading的作用。

对于序列化和反序列化，因为每一个枚举类型和枚举变量在JVM中都是唯一的，即Java在序列化和反序列化枚举时做了特殊的规定，枚举的writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法是被编译器禁用的，因此也不存在实现序列化接口后调用readObject会破坏单例的问题。

对于线程安全方面，类似于普通的饿汉模式，通过在第一次调用时的静态初始化创建的对象是线程安全的。

因此，选择枚举作为Singleton的实现方式，相对于其他方式尤其是类似的饿汉模式主要有以下优点：
1. 代码简单
2. 自由序列化

至于lazy-loading，考虑到一般情况不存在调用单例类又不需要实例化单例的情况，所以即便不能做到很好的lazy-loading，也并不是大问题。换言之，除了枚举这种方案，饿汉模式也在单例设计中广泛的被应用。

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出处：http://cantellow.iteye.com/blog/838473