單例模式中，你不知道的事~~

單例模式可以說只要是一個合格的開發(fā)都會寫，但是如果要深究，小小的單例模式可以牽扯到很多東西，比如：多線程是否安全？是否懶加載？性能等等。還有你知道幾種單例模式的寫法呢？如何防止反射破壞單例模式？

一、 單例模式

1.1 定義

單例模式就是在程序運(yùn)行中只實(shí)例化一次，創(chuàng)建一個全局唯一對象。有點(diǎn)像?Java?的靜態(tài)變量，但是單例模式要優(yōu)于靜態(tài)變量：

靜態(tài)變量在程序啟動的時候JVM就會進(jìn)行加載，如果不使用，會造成大量的資源浪費(fèi)；

單例模式能夠?qū)崿F(xiàn)懶加載，能夠在使用實(shí)例的時候才去創(chuàng)建實(shí)例。

開發(fā)工具類庫中的很多工具類都應(yīng)用了單例模式，比例線程池、緩存、日志對象等，它們都只需要創(chuàng)建一個對象，如果創(chuàng)建多份實(shí)例，可能會帶來不可預(yù)知的問題，比如資源的浪費(fèi)、結(jié)果處理不一致等問題。

1.2 單例的實(shí)現(xiàn)思路

靜態(tài)化實(shí)例對象；

私有化構(gòu)造方法，禁止通過構(gòu)造方法創(chuàng)建實(shí)例；

提供一個公共的靜態(tài)方法，用來返回唯一實(shí)例。

1.3 單例的好處

只有一個對象，內(nèi)存開支少、性能好；

避免對資源的多重占用；

在系統(tǒng)設(shè)置全局訪問點(diǎn)，優(yōu)化和共享資源訪問。

二、 單例模式的實(shí)現(xiàn)

餓漢模式

懶漢模式

雙重檢查鎖模式

靜態(tài)內(nèi)部類單例模式

枚舉類實(shí)現(xiàn)單例模式

2.1 餓漢模式

在定義靜態(tài)屬性時，直接實(shí)例化了對象

public class HungryMode {

/** * 利用靜態(tài)變量來存儲唯一實(shí)例 */ private static final HungryMode instance = new HungryMode(); /** * 私有化構(gòu)造函數(shù) */ private HungryMode(){ // 里面可以有很多操作 } /** * 提供公開獲取實(shí)例接口 * @return */ public static HungryMode getInstance(){ return instance; } }

由于使用了static關(guān)鍵字，保證了在引用這個變量時，關(guān)于這個變量的所以寫入操作都完成，所以保證了JVM層面的線程安全

不能實(shí)現(xiàn)懶加載，造成空間浪費(fèi)：如果一個類比較大，我們在初始化的時就加載了這個類，但是我們長時間沒有使用這個類，這就導(dǎo)致了內(nèi)存空間的浪費(fèi)。

所以，能不能只有用到?getInstance()方法，才會去初始化單例類，才會加載單例類中的數(shù)據(jù)。所以就有了：懶漢式。

2.2 懶漢模式

懶漢模式是一種偷懶的模式，在程序初始化時不會創(chuàng)建實(shí)例，只有在使用實(shí)例的時候才會創(chuàng)建實(shí)例，所以懶漢模式解決了餓漢模式帶來的空間浪費(fèi)問題。

public class LazyMode {

/** * 定義靜態(tài)變量時，未初始化實(shí)例 */ private static LazyMode instance; /** * 私有化構(gòu)造函數(shù) */ private LazyMode(){ // 里面可以有很多操作 } /** * 提供公開獲取實(shí)例接口 * @return */ public static LazyMode getInstance(){ // 使用時，先判斷實(shí)例是否為空，如果實(shí)例為空，則實(shí)例化對象 if (instance == null) { instance = new LazyMode(); } return instance; } }

但是這種實(shí)現(xiàn)在多線程的情況下是不安全的，有可能會出現(xiàn)多份實(shí)例的情況：

if (instance == null) {

instance = new LazyMode();

}

假設(shè)有兩個線程同時進(jìn)入到上面這段代碼，因?yàn)闆]有任何資源保護(hù)措施，所以兩個線程可以同時判斷的?instance?都為空，都將去初始化實(shí)例，所以就會出現(xiàn)多份實(shí)例的情況。

我們給getInstance()方法加上Synchronized關(guān)鍵字，使得getInstance()方法成為受保護(hù)的資源就能夠解決多份實(shí)例的問題。

public class LazyModeSynchronized {

/** * 定義靜態(tài)變量時，未初始化實(shí)例 */ private static LazyModeSynchronized instance; /** * 私有化構(gòu)造函數(shù) */ private LazyModeSynchronized(){ // 里面可以有很多操作 } /** * 提供公開獲取實(shí)例接口 * @return */ public synchronized static LazyModeSynchronized getInstance(){ /** * 添加class類鎖，影響了性能，加鎖之后將代碼進(jìn)行了串行化， * 我們的代碼塊絕大部分是讀操作，在讀操作的情況下，代碼線程是安全的 * */ if (instance == null) { instance = new LazyModeSynchronized(); } return instance; } }

實(shí)現(xiàn)了懶加載，節(jié)約了內(nèi)存空間。

在不加鎖的情況下，線程不安全，可能出現(xiàn)多份實(shí)例；

在加鎖的情況下，會使程序串行化，使系統(tǒng)有嚴(yán)重的性能問題。

懶漢模式中加鎖的問題，對于getInstance()方法來說，絕大部分的操作都是讀操作，讀操作是線程安全的，所以我們沒必讓每個線程必須持有鎖才能調(diào)用該方法，我們需要調(diào)整加鎖的問題。由此也產(chǎn)生了一種新的實(shí)現(xiàn)模式：雙重檢查鎖模式。

2.3 雙重檢查鎖模式

public class DoubleCheckLockMode {

private static DoubleCheckLockMode instance; /** * 私有化構(gòu)造函數(shù) */ private DoubleCheckLockMode(){ } /** * 提供公開獲取實(shí)例接口 * @return */ public static DoubleCheckLockMode getInstance(){ // 第一次判斷，如果這里為空，不進(jìn)入搶鎖階段，直接返回實(shí)例 if (instance == null) { synchronized (DoubleCheckLockMode.class) { // 搶到鎖之后再次判斷是否為空 if (instance == null) { instance = new DoubleCheckLockMode(); } } } return instance; } }

雙重檢查鎖模式解決了單例、性能、線程安全問題，但是這種寫法同樣存在問題：在多線程的情況下，可能會出現(xiàn)空指針問題，出現(xiàn)問題的原因是JVM在實(shí)例化對象的時候會進(jìn)行優(yōu)化和指令重排序操作。

private SingletonObject(){

// 第一步 int x = 10; // 第二步 int y = 30; // 第三步 Object o = new Object(); }

上面的構(gòu)造函數(shù)SingletonObject()，JVM?會對它進(jìn)行指令重排序，所以執(zhí)行順序可能會亂掉，但是不管是那種執(zhí)行順序，JVM?最后都會保證所以實(shí)例都完成實(shí)例化。?如果構(gòu)造函數(shù)中操作比較多時，為了提升效率，JVM?會在構(gòu)造函數(shù)里面的屬性未全部完成實(shí)例化時，就返回對象。雙重檢測鎖出現(xiàn)空指針問題的原因就是出現(xiàn)在這里，當(dāng)某個線程獲取鎖進(jìn)行實(shí)例化時，其他線程就直接獲取實(shí)例使用，由于JVM指令重排序的原因，其他線程獲取的對象也許不是一個完整的對象，所以在使用實(shí)例的時候就會出現(xiàn)空指針異常問題。

要解決雙重檢查鎖模式帶來空指針異常的問題，只需要使用volatile關(guān)鍵字，volatile關(guān)鍵字嚴(yán)格遵循h(huán)appens-before原則，即：在讀操作前，寫操作必須全部完成。

public class DoubleCheckLockModelVolatile {

/** * 添加volatile關(guān)鍵字，保證在讀操作前，寫操作必須全部完成 */ private static volatile DoubleCheckLockModelVolatile instance; /** * 私有化構(gòu)造函數(shù) */ private DoubleCheckLockModelVolatile(){ } /** * 提供公開獲取實(shí)例接口 * @return */ public static DoubleCheckLockModelVolatile getInstance(){ if (instance == null) { synchronized (DoubleCheckLockModelVolatile.class) { if (instance == null) { instance = new DoubleCheckLockModelVolatile(); } } } return instance; } }

2.4 靜態(tài)內(nèi)部類模式

靜態(tài)內(nèi)部類模式也稱單例持有者模式，實(shí)例由內(nèi)部類創(chuàng)建，由于?JVM?在加載外部類的過程中, 是不會加載靜態(tài)內(nèi)部類的, 只有內(nèi)部類的屬性/方法被調(diào)用時才會被加載, 并初始化其靜態(tài)屬性。靜態(tài)屬性由static修飾，保證只被實(shí)例化一次，并且嚴(yán)格保證實(shí)例化順序。

public class StaticInnerClassMode {

private StaticInnerClassMode(){ } /** * 單例持有者 */ private static class InstanceHolder{ private final static StaticInnerClassMode instance = new StaticInnerClassMode(); } /** * 提供公開獲取實(shí)例接口 * @return */ public static StaticInnerClassMode getInstance(){ // 調(diào)用內(nèi)部類屬性 return InstanceHolder.instance; } }

這種方式跟餓漢式方式采用的機(jī)制類似，但又有不同。兩者都是采用了類裝載的機(jī)制來保證初始化實(shí)例時只有一個線程。不同的地方：

餓漢式方式是只要Singleton類被裝載就會實(shí)例化，沒有Lazy-Loading的作用；

靜態(tài)內(nèi)部類方式在Singleton類被裝載時并不會立即實(shí)例化，而是在需要實(shí)例化時，調(diào)用getInstance()方法，才會裝載SingletonInstance類，從而完成Singleton的實(shí)例化。

類的靜態(tài)屬性只會在第一次加載類的時候初始化，所以在這里，JVM幫助我們保證了線程的安全性，在類進(jìn)行初始化時，別的線程是無法進(jìn)入的。

所以這種方式在沒有加任何鎖的情況下，保證了多線程下的安全，并且沒有任何性能影響和空間的浪費(fèi)。

2.5 枚舉類實(shí)現(xiàn)單例模式

因?yàn)槊杜e類型是線程安全的，并且只會裝載一次，設(shè)計(jì)者充分的利用了枚舉的這個特性來實(shí)現(xiàn)單例模式，枚舉的寫法非常簡單，而且枚舉類型是所用單例實(shí)現(xiàn)中唯一一種不會被破壞的單例實(shí)現(xiàn)模式。

public class EnumerationMode {

private EnumerationMode(){ } /** * 枚舉類型是線程安全的，并且只會裝載一次 */ private enum Singleton{ INSTANCE; private final EnumerationMode instance; Singleton(){ instance = new EnumerationMode(); } private EnumerationMode getInstance(){ return instance; } } public static EnumerationMode getInstance(){ return Singleton.INSTANCE.getInstance(); } }

需要頻繁的進(jìn)行創(chuàng)建和銷毀的對象；

創(chuàng)建對象時耗時過多或耗費(fèi)資源過多，但又經(jīng)常用到的對象；

工具類對象；

頻繁訪問數(shù)據(jù)庫或文件的對象。

三、單例模式的問題及解決辦法

除枚舉方式外, 其他方法都會通過反射的方式破壞單例

3.1 單例模式的破壞

/**

* 以靜態(tài)內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)為例

* @throws Exception

*/

@Test

public void singletonTest() throws Exception { Constructor constructor = StaticInnerClassMode.class.getDeclaredConstructor(); constructor.setAccessible(true); StaticInnerClassMode obj1 = StaticInnerClassMode.getInstance(); StaticInnerClassMode obj2 = StaticInnerClassMode.getInstance(); StaticInnerClassMode obj3 = (StaticInnerClassMode) constructor.newInstance(); System.out.println("輸出結(jié)果為："+obj1.hashCode()+"," +obj2.hashCode()+","+obj3.hashCode()); }

控制臺打印：

輸出結(jié)果為：1454171136,1454171136,1195396074

從輸出的結(jié)果我們就可以看出obj1和obj2為同一對象，obj3為新對象。obj3是我們通過反射機(jī)制，進(jìn)而調(diào)用了私有的構(gòu)造函數(shù)，然后產(chǎn)生了一個新的對象。

3.2 如何阻止單例破壞

可以在構(gòu)造方法中進(jìn)行判斷，若已有實(shí)例, 則阻止生成新的實(shí)例，解決辦法如下:

public class StaticInnerClassModeProtection {

private static boolean flag = false; private StaticInnerClassModeProtection(){ synchronized(StaticInnerClassModeProtection.class){ if(flag == false){ flag = true; }else { throw new RuntimeException("實(shí)例已經(jīng)存在，請通過 getInstance()方法獲取！"); } } } /** * 單例持有者 */ private static class InstanceHolder{ private final static StaticInnerClassModeProtection instance = new StaticInnerClassModeProtection(); } /** * 提供公開獲取實(shí)例接口 * @return */ public static StaticInnerClassModeProtection getInstance(){ // 調(diào)用內(nèi)部類屬性 return InstanceHolder.instance; } }

測試：

/**

* 在構(gòu)造方法中進(jìn)行判斷，若存在則拋出RuntimeException

* @throws Exception

*/

@Test

public void destroyTest() throws Exception { Constructor constructor = StaticInnerClassModeProtection.class.getDeclaredConstructor(); constructor.setAccessible(true); StaticInnerClassModeProtection obj1 = StaticInnerClassModeProtection.getInstance(); StaticInnerClassModeProtection obj2 = StaticInnerClassModeProtection.getInstance(); StaticInnerClassModeProtection obj3 = (StaticInnerClassModeProtection) constructor.newInstance(); System.out.println("輸出結(jié)果為："+obj1.hashCode()+"," +obj2.hashCode()+","+obj3.hashCode()); }

控制臺打印：

Caused by: java.lang.RuntimeException: 實(shí)例已經(jīng)存在，請通過 getInstance()方法獲取！ at cn.van.singleton.demo.mode.StaticInnerClassModeProtection.(StaticInnerClassModeProtection.java:22) ... 35 more

四、總結(jié)

4.1 各種實(shí)現(xiàn)的對比

Java 任務(wù)調(diào)度

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