单例模式

单例模式的应用场景

单例模式（Singleton Pattern）是指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并提供一个全局访问点。单例模式是创建型模式。单例模式在现实生活中应用也非常广泛。例如，国家主席、公司 CEO、部门经理等。在 J2EE 标准中，ServletContext、 ServletContextConfig 等；在 Spring 框架应用中 ApplicationContext；数据库的连接池也都是单例形式。

饿汉式单例

饿汉式单例是在类加载的时候就立即初始化，并且创建单例对象。绝对线程安全，在线程还没出现以前就是实例化了，不可能存在访问安全问题。
优点：没有加任何的锁、执行效率比较高，在用户体验上来说，比懒汉式更好。缺点：类加载的时候就初始化，不管用与不用都占着空间，浪费了内存

Spring 中 IOC 容器 ApplicationContext 本身就是典型的饿汉式单例。接下来看一段代码：

//饿汉式单例
// 它是在类加载的时候就立即初始化，并且创建单例对象

    //优点：没有加任何的锁、执行效率比较高，
    //在用户体验上来说，比懒汉式更好

    //缺点：类加载的时候就初始化，不管你用还是不用，我都占着空间
    //浪费了内存，有可能占着茅坑不拉屎

    //绝对线程安全，在线程还没出现以前就是实例化了，不可能存在访问安全问题
public class HungrySingleton {
    //先静态、后动态
    //先属性、后方法
    //先上后下
    private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();

    private HungrySingleton(){}

    public static HungrySingleton getInstance(){
        return  hungrySingleton;
    }
}

还有另外一种写法，利用静态代码块的机制：

//饿汉式静态块单例
public class HungryStaticSingleton {
    private static final HungryStaticSingleton hungrySingleton;
    static {
        hungrySingleton = new HungryStaticSingleton();
    }
    private HungryStaticSingleton(){}
    public static HungryStaticSingleton getInstance(){
        return  hungrySingleton;
    }
}

这两种写法都非常的简单，也非常好理解，饿汉式适用在单例对象较少的情况。下面我们来看性能更优的写法。

懒汉式单例
懒汉式单例的特点是：被外部类调用初始化方法的时候内部类才会加载，下面看懒汉式单例的简单实现 LazySimpleSingleton：

//懒汉式单例
//在外部需要使用的时候才进行实例化
public class LazySimpleSingleton {
    private LazySimpleSingleton(){}
    //静态块，公共内存区域
    private static LazySimpleSingleton lazy = null;
    public synchronized static LazySimpleSingleton getInstance(){
        if(lazy == null){
            lazy = new LazySimpleSingleton();
        }
        return lazy;
    }
}

然后写一个线程类 ExectorThread 类：

public class ExectorThread implements Runnable{

    public void run() {
        LazySimpleSingleton singleton = LazySimpleSingleton.getInstance();
//        ThreadLocalSingleton singleton = ThreadLocalSingleton.getInstance();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + singleton);
    }
}

客户端测试代码：

public class LazySimpleSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new ExectorThread());
        Thread t2 = new Thread(new ExectorThread());
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println("End");
    }
}

运行结果一定几率出现创建两个不同结果的情况，意味着上面的单例存在线程安全隐患存在线程不安全的情况。那么，我们如何来优化代码，使得懒汉式单例在线程环境下安全呢？来看下面的代码，给 getInstance()加上 synchronized 关键字，是这个方法变成线程同步方法：

public class LazySimpleSingleton {
    private LazySimpleSingleton(){}
    //静态块，公共内存区域
    private static LazySimpleSingleton lazy = null;
    public synchronized static LazySimpleSingleton getInstance(){
        if(lazy == null){
            lazy = new LazySimpleSingleton();
        }
        return lazy;
    }
}

线程安全的问题便解决了。但是，用 synchronized 加锁，在线程数量比较多情况下，如果 CPU 分配压力上升，会导致大批量线程出现阻塞，从而导致程序运行性能大幅下降。那么，有没有一种更好的方式，既兼顾线程安全又提升程序性能呢？答案是肯定的。我们来看双重检查锁的单例模式：

    private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazy = null;

    private LazyDoubleCheckSingleton(){}
    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
        if(lazy == null){
            synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class){
                if(lazy == null){
                    lazy = new LazyDoubleCheckSingleton();
                    //1.分配内存给这个对象
                    //2.初始化对象
                    //3.设置lazy指向刚分配的内存地址
                    //4.初次访问对象
                }
            }
        }
        return lazy;
    }
}

当第一个线程调用 getInstance()方法时，第二个线程也可以调用 getInstance()。当第一个线程执行到 synchronized 时会上锁，第二个线程就会变成 MONITOR 状态，出现阻塞。此时，阻塞并不是基于整个 LazySimpleSingleton 类的阻塞，而是在 getInstance() 方法内部阻塞，只要逻辑不是太复杂，对于调用者而言感知不到。但是，用到 synchronized 关键字，总归是要上锁，对程序性能还是存在一定影响的。难道就真的没有更好的方案吗？当然是有的。我们可以从类初始化角度来考虑，看下面的代码，采用静态内部类的方式：

//这种形式兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾synchronized性能问题
//完美地屏蔽了这两个缺点
//史上最牛B的单例模式的实现方式
public class LazyInnerClassSingleton {
    //默认使用LazyInnerClassGeneral的时候，会先初始化内部类
    //如果没使用的话，内部类是不加载的
    private LazyInnerClassSingleton(){
        if(LazyHolder.LAZY != null){
            throw new RuntimeException("不允许创建多个实例");
        }
    }

    //每一个关键字都不是多余的
    //static 是为了使单例的空间共享
    //保证这个方法不会被重写，重载
    public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){
        //在返回结果以前，一定会先加载内部类
        return LazyHolder.LAZY;
    }

    //默认不加载
    private static class LazyHolder{
        private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
    }
}

这种形式兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾 synchronized 性能问题。内部类一定是要在方法调用之前初始化，巧妙地避免了线程安全问题。由于这种方式比较简单。

序列化破坏单例
当我们将一个单例对象创建好，有时候需要将对象序列化然后写入到磁盘，下次使用时再从磁盘中读取到对象，反序列化转化为内存对象。反序列化后的对象会重新分配内存，即重新创建。那如果序列化的目标的对象为单例对象，就违背了单例模式的初衷，相当于破坏了单例，来看一段代码：

//反序列化时导致单例破坏
public class SeriableSingleton implements Serializable {

    //序列化就是说把内存中的状态通过转换成字节码的形式
    //从而转换一个IO流，写入到其他地方(可以是磁盘、网络IO)
    //内存中状态给永久保存下来了

    //反序列化
    //讲已经持久化的字节码内容，转换为IO流
    //通过IO流的读取，进而将读取的内容转换为Java对象
    //在转换过程中会重新创建对象new

    public  final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
    private SeriableSingleton(){}

    public static SeriableSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }

}

编写测试代码：

public class SeriableSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {

        SeriableSingleton s1 = null;
        SeriableSingleton s2 = SeriableSingleton.getInstance();

        FileOutputStream fos = null;
        try {
            fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(s2);
            oos.flush();
            oos.close();


            FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            s1 = (SeriableSingleton)ois.readObject();
            ois.close();

            System.out.println(s1);
            System.out.println(s2);
            System.out.println(s1 == s2);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果反序列化后的对象和手动创建的对象是不一致的，实例化了两次，违背了单例的设计初衷。那么，我们如何保证序列化的情况下也能够实现单例？其实很简单，只需要增加 readResolve()方法即可。来看优化代码：

//反序列化时导致单例破坏
public class SeriableSingleton implements Serializable {

    //序列化就是说把内存中的状态通过转换成字节码的形式
    //从而转换一个IO流，写入到其他地方(可以是磁盘、网络IO)
    //内存中状态给永久保存下来了

    //反序列化
    //讲已经持久化的字节码内容，转换为IO流
    //通过IO流的读取，进而将读取的内容转换为Java对象
    //在转换过程中会重新创建对象new

    public  final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
    private SeriableSingleton(){}

    public static SeriableSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }

    private  Object readResolve(){
        return  INSTANCE;
    }

}

注册式单例

注册式单例又称为登记式单例，就是将每一个实例都登记到某一个地方，使用唯一的标识获取实例。注册式单例有两种写法：一种为容器缓存，一种为枚举登记。先来看枚举式单例的写法，来看代码，创建 EnumSingleton 类：

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    private Object data;
    public Object getData() {
        return data;
    }
    public void setData(Object data) {
        this.data = data;
    }
    public static EnumSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

来看测试代码：

public class EnumSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            EnumSingleton instance1 = null;

            EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
            instance2.setData(new Object());

            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(instance2);
            oos.flush();
            oos.close();

            FileInputStream fis = new FileInputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            instance1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
            ois.close();

            System.out.println(instance1.getData());
            System.out.println(instance2.getData());
            System.out.println(instance1.getData() == instance2.getData());

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

没有做任何处理，我们发现运行结果和我们预期的一样。那么枚举式单例如此神奇，它的神秘之处在哪里体现呢？下面我们通过分析源码来揭开它的神秘面纱。下载一个非常好用的 Java 反编译工具 Jad（下载地址：https://varaneckas.com/jad/），解压后配置好环境变量（这里不做详细介绍），就可以使用命令行调用了。找到工程所在的 class 目录，复制 EnumSingleton.class 所在的路径，然后切回到命令行，切换到工程所在的 Class 目录，输入命令 jad 后面输入复制好的路径，我们会在 Class 目录下会多一个 EnumSingleton.jad 文件。打开 EnumSingleton.jad 文件我们惊奇又巧妙地发现有如下代码：

static { 
  INSTANCE = new EnumSingleton("INSTANCE", 0); 
  $VALUES = (new EnumSingleton[] { INSTANCE });
}

原来，枚举式单例在静态代码块中就给 INSTANCE 进行了赋值，是饿汉式单例的实现。至此，我们还可以试想，序列化我们能否破坏枚举式单例呢？我们不妨再来看一下 JDK 源码，还是回到 ObjectInputStream 的 readObject0()方法：

private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
  ...
  case TC_ENUM: return checkResolve(readEnum(unshared)); 
  ...
}

我们看到在 readObject0()中调用了 readEnum()方法，来看 readEnum()中代码实现：

    private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException {
        if (bin.readByte() != TC_ENUM) {
            throw new InternalError();
        }

        ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
        if (!desc.isEnum()) {
            throw new InvalidClassException("non-enum class: " + desc);
        }

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

        String name = readString(false);
        Enum<?> result = null;
        Class<?> cl = desc.forClass();
        if (cl != null) {
            try {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name);
                result = en;
            } catch (IllegalArgumentException ex) {
                throw (IOException) new InvalidObjectException(
                    "enum constant " + name + " does not exist in " +
                    cl).initCause(ex);
            }
            if (!unshared) {
                handles.setObject(enumHandle, result);
            }
        }

        handles.finish(enumHandle);
        passHandle = enumHandle;
        return result;
    }

我们发现枚举类型其实通过类名和 Class 对象类找到一个唯一的枚举对象。因此，枚举对象不可能被类加载器加载多次。那么反射是否能破坏枚举式单例呢？来看一段测试代码：

    public static void main(String[] args) {
        try {
            Class clazz = EnumSingleton.class;
            Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor();
            c.newInstance();

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

运行报的是 java.lang.NoSuchMethodException 异常，意思是没找到无参的构造方法。这时候，我们打开 java.lang.Enum 的源码代码，查看它的构造方法，只有一个 protected的构造方法，代码如下：

protected Enum(String name, int ordinal) {
  this.name = name; 
  this.ordinal = ordinal;
}

那我们再来做一个这样的测试：

    public static void main(String[] args) {
        try {
            Class clazz = EnumSingleton.class;
            Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
            c.setAccessible(true);
            EnumSingleton enumSingleton = (EnumSingleton)c.newInstance("Tom",666);

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

运行结果：

这时错误已经非常明显了，告诉我们 Cannot reflectively create enum objects，不能用反射来创建枚举类型。还是习惯性地想来看看 JDK 源码，进入 Constructor 的 newInstance()方法：

    public T newInstance(Object ... initargs)
        throws InstantiationException, IllegalAccessException,
               IllegalArgumentException, InvocationTargetException
    {
        if (!override) {
            if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
                Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
                checkAccess(caller, clazz, null, modifiers);
            }
        }
        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;
    }

在 newInstance()方法中做了强制性的判断，如果修饰符是Modifier.ENUM 枚举类型，直接抛出异常。到这为止，我们是不是已经非常清晰明了呢？枚举式单例也是《Effective Java》书中推荐的一种单例实现写法。在 JDK 枚举的语法特殊性，以及反射也为枚举保驾护航，让枚举式单例成为一种比较优雅的实现。接下来看注册式单例还有另一种写法，容器缓存的写法，创建 ContainerSingleton 类：

//Spring中的做法，就是用这种注册式单例
public class ContainerSingleton {
    private ContainerSingleton(){}
    private static Map<String,Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String,Object>();
    public static Object getInstance(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);
            }
        }
    }
}

ThreadLocal 线程单例

ThreadLocal 不能保证其创建的对象是全局唯一，但是能保证在单个线程中是唯一的，天生的线程安全。下面我们来看代码：

public class ThreadLocalSingleton {
    private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocalInstance =
            new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>(){
                @Override
                protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
                    return new ThreadLocalSingleton();
                }
            };

    private ThreadLocalSingleton(){}

    public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
        return threadLocalInstance.get();
    }
}

写一下测试代码：

public class ThreadLocalSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());

        Thread t1 = new Thread(new ExectorThread());
        Thread t2 = new Thread(new ExectorThread());
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println("End");

    }
}

我们发现，在主线程 main 中无论调用多少次，获取到的实例都是同一个，都在两个子线程中分别获取到了不同的实例。那么 ThreadLocal 是如果实现这样的效果的呢？我们知道上面的单例模式为了达到线程安全的目的，给方法上锁，以时间换空间。ThreadLocal 将所有的对象全部放在 ThreadLocalMap 中，为每个线程都提供一个对象，实际上是以空间换时间来实现线程间隔离的。

单例模式小结

单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存开销；可以避免对资源的多重占用。单例模式看起来非常简单，实现起来其实也非常简单。但是在面试中却是一个高频面试题。希望小伙伴们通过本章的学习，对单例模式有非常深刻的掌握，在面试中彰显技术深度，提升核心竞争力

最后编辑于：2020.11.12 14:37:27

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