深入解析：单例模式及其多种实现与问题防范-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_42042530/article/details/123562583

创建型模式的主要关注点是：怎样创建对象？，它的主要特点是：将对象的创建与使用分离。

这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节。

创建型模式分为：
单例模式
工厂方法模式
抽象工程模式
原型模式
建造者模式

1、单例模式

1.1 啥叫单例模式

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。

1.2 单例模式的实现

单例模式的主要有以下角色：

单例类：只能创建一个实例的类
访问类：使用单例类

单例设计模式分类两种：

饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建
懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建

饿汉式:静态变量

该方式在成员位置声明 Singleton 类型的静态变量，并创建 Singleton 类的对象 instance。

public class Singleton{
	//1. 私有构造方法
	private Singleto(){};
	//2. 在本类中实例化对象
	private static Singleton instance = new Singleton();
	//3. 提供get方法，供给外界调用
	private Singleton getInstance(){
		return instance;
	}

}

instance 对象是随着类的加载而创建的，如果该对象很大，却一直没有使用就会造成内存的浪费。

饿汉式:静态代码块

public class Singleton{
	//1. 声明单例的实例化对象
	private static Singleton instance;
	//2. 在static代码块实例化对象
	static {
		instance = new Singleton();
	}
	//3. 提供get方法，供给外界调用
	private Singleton getInstance(){
		return instance;
	}
}

该方式和饿汉式的方式 1 基本一样，只是换了个地方实例化对象，所以该方式也存在内存浪费问题。

懒汉模式：非线程安全

当调用 getInstance() 方法获取 Singleton 类的对象的时候才创建 Singleton 类的对象，这样就实现了懒加载效果

public class Singleton{
	//1. 声明单例的实例化对象
	private static Singleton instance;
	//2. 提供get方法，供给外界调用
	private Singleton getInstance(){
		if(instance ==null){
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

但是这样有个问题，当第一个线程进入if块里面还未创建对象，线程二有去做if的判断，这样线程二也可以进入代码块，这样会创建两个实例，那就不是单例模式了。

懒汉模式：线程安全

public class Singleton{
	//1. 声明单例的实例化对象
	private static synchronized  Singleton instance;
	//2. 提供get方法，供给外界调用
	private Singleton getInstance(){
		if(instance ==null){
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

在懒汉式 1 的基础上，使用 synchronized 关键字解决了线程安全问题，但是该方法的执行效率特别低，因为同一时间只能有一个线程获得这个对象，这就很扯淡了。

懒汉式 3：双重检查锁🚀

调整加锁的节点，第一个检查是为了判断是否已经实例化，若已经实例化，则直接返回对象，避免了给实例加锁导致的性能问题。第二个检查是为了防止重复实例化对象，因为即便加了锁，也会有多个线程排队等锁的情况。

public class Singleton{
	//1. 声明单例的实例化对象
	private static Singleton instance;
	//2. 提供get方法，供给外界调用
	private Singleton getInstance(){
		//第一次判断instance是否为null，如果是null，到了里面再加锁
		if(instance ==null){
			synchronized (Singleton.class) {
				// 再检查一遍是否为null，因为到这里肯定同一时间只有一个线程，所以不会有线程安全问题； 
				if(instance ==null){
					instance = new Singleton();
				}
				
			}
		}
	}

其实这块还有因指令重排序而导致的NPE的问题，因为指令重排序会导致先创建对象，再赋值，那么进行实例判空时就会控制针，而解决办法儿很简单，就是给实例对象加上volatile关键字修饰，保证其内存可见性即可。

public class Singleton{
	//1. 声明单例的实例化对象
	private static volatile  Singleton instance;
	//2. 提供get方法，供给外界调用
	private Singleton getInstance(){
		//第一次判断instance是否为null，如果是null，到了里面再加锁
		if(instance ==null){
			synchronized (Singleton.class) {
				// 再检查一遍是否为null，因为到这里肯定同一时间只有一个线程，所以不会有线程安全问题； 
				if(instance ==null){
					instance = new Singleton();
				}
				
			}
		}
	}

懒汉式 4：静态内部类

静态内部类单例模式中实例由内部类创建，由于 JVM 在加载外部类的过程中，是不会加载静态内部类的，只有内部类的属性/方法被调用时才会被加载，并初始化其静态属性。静态属性由于被 static 修饰，保证只被实例化一次，并且严格保证实例化顺序。

/**
 * 静态内部类方式
 */
public class Singleton {
    // 私有构造方法
    private Singleton() {}
    // 定义一个静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        // 在内部类中声明并初始化外部类的对象
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    // 提供公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

第一次加载 Singleton 类时不会去初始化 INSTANCE，只有第一次调用 getInstance()，虚拟机加载 SingletonHolder 并初始化 INSTANCE，这样不仅能确保线程安全，也能保证 Singleton 类的唯一性。
静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式，是开源项目中比较常用的一种单例模式。在没有加任何锁的情况下，保证了多线程下的安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。

懒汉式 5：枚举

首先，枚举方式是饿汉式单例模式，如果不考虑浪费内存空间的问题，这是极力推荐的单例实现模式。

因为枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次，设计者充分的利用了枚举的这个特性来实现单例模式。

枚举的写法非常简单，而且枚举方式是所用单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式。

/**
 * 饿汉式：枚举实现
 */
public enum Singleton {
    INSTANCE
}

1.3 单例模式的问题

有两种方式可以使上面定义的单例类可以创建多个对象（枚举方式除外），分别是序列化和反射。

序列化破坏单例

问题演示：下面代码运行结果是false，表明序列化和反序列化破坏了单例设计模式。

/**
 * 测试使用序列化破坏单例模式
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Singleton s1 = readObjectFromFile();
        Singleton s2 = readObjectFromFile();
        System.out.println(s1 == s2); // false
    }
    // 从文件读取数据（对象）
    public static Singleton readObjectFromFile() throws Exception {
        // 1.创建对象输入流对象
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\a.txt"));
        // 2.读取对象
        Singleton instance = (Singleton) ois.readObject();
        // 3.释放资源
        ois.close();
        return instance;
    }
    // 向文件中写数据（对象）
    public static void writeObject2File() throws Exception {
        // 1.获取Singleton对象
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        // 2.创建对象输出流对象
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\a.txt"));
        // 3.写对象
        oos.writeObject(instance);
        // 4.释放资源
        oos.close();
    }
}

为啥

查看ois.readObject() 的源码，找到readObject0方法

private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
        throws IOException
    {
        if (bin.readByte() != TC_OBJECT) {
            throw new InternalError();
        }

        ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
        desc.checkDeserialize();

        Class<?> cl = desc.forClass();
        if (cl == String.class || cl == Class.class
                || cl == ObjectStreamClass.class) {
            throw new InvalidClassException("invalid class descriptor");
        }

        Object obj;
        try {
        	//序列化会通过反射调用无参的构造方法创建一个新的对象
            obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
        } catch (Exception ex) {
            throw (IOException) new InvalidClassException(
                desc.forClass().getName(),
                "unable to create instance").initCause(ex);
        }

        passHandle = handles.assign(unshared ? unsharedMarker : obj);
        ClassNotFoundException resolveEx = desc.getResolveException();
        if (resolveEx != null) {
            handles.markException(passHandle, resolveEx);
        }

        if (desc.isExternalizable()) {
            readExternalData((Externalizable) obj, desc);
        } else {
            readSerialData(obj, desc);
        }

        handles.finish(passHandle);

        if (obj != null &&
            handles.lookupException(passHandle) == null &&
            desc.hasReadResolveMethod())   //注意这个方法
        {
            Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
            if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
                rep = cloneArray(rep);
            }
            if (rep != obj) {
                // Filter the replacement object
                if (rep != null) {
                    if (rep.getClass().isArray()) {
                        filterCheck(rep.getClass(), Array.getLength(rep));
                    } else {
                        filterCheck(rep.getClass(), -1);
                    }
                }
                handles.setObject(passHandle, obj = rep);
            }
        }
        return obj;
    }

反序列化方法readObject()的readObject0()中如果是Object对象则调用readOrdinaryObject()，该方法首先会通过一个三目运算来创建序列化的对象。如果这个对象能实例化就创建一个新对象。

obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;

原因找到了，反序列化回来的对象是新创建的，不是单例的那个了。
解决的办法也在源码中，在通过三目运算创建了对象之后，还会去找这个对象里是否有readResolve()方法，如果有，则通过这方法返回对象。

if (obj != null &&
  handles.lookupException(passHandle) == null &&
  desc.hasReadResolveMethod()){
  Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
}

解决办法，在单例对象代码中添加public Object readResolve()方法

class Singleton implements Serializable {
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
    public Object readResolve() {
        return getInstance();
    }
}

反射破坏单例

/**
 * 测试使用反射破坏单例模式
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1.获取Singleton的字节码对象
        Class clazz = Singleton.class;
        // 2.获取无参构造方法对象
        Constructor cons = clazz.getDeclaredConstructor();
        // 3.取消访问检查
        cons.setAccessible(true);
        // 4.创建Singleton对象
        Singleton s1 = (Singleton) cons.newInstance();
        Singleton s2 = (Singleton) cons.newInstance();
        System.out.println(s1 == s2); // false
    }
}

解决方案：当通过反射方式调用构造方法进行创建时，直接抛异常

/**
 * 静态内部类方式(解决反射破坏单例模式)
 */
public class Singleton {
    private static boolean flag = false;
    // 私有构造方法
    private Singleton() {
        synchronized (Singleton.class) {
            // 如果是true,说明非第一次访问,直接抛一个异常,如果是false,说明第一次访问
            if (flag) {
                throw new RuntimeException("不能创建多个对象");
            }
            flag = true;
        }
    }
    // 提供公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
    // 定义一个静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        // 在内部类中声明并初始化外部类的对象
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
}

实际用例展示： JDK源码-Runtime类

Runtime 类使用的就是单例设计模式。使用的是饿汉模式。

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}
    ...
}