【设计模式】单例模式

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1. 什么是单例模式

百度百科是这么说的：

单例模式，属于创建类型的一种常用的软件设计模式。通过单例模式的方法创建的类在当前进程中只有一个实例（根据需要，也有可能一个线程中属于单例，如：仅线程上下文内使用同一个实例）。

菜鸟教程关于单例模式的介绍如下：

意图： 保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决： 一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用： 当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决： 判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码： 构造函数是私有的。

简单来说：单例模式保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，其关键是构造函数私有的。

2. 饿汉式与懒汉式

2.1 饿汉式

饿汉式的特点：类加载的时候就实例化，并且创建单例对象。

饿汉式是最简单的单例模式，代码如下：

/**
 * @author 默烦 2020/10/29
 * <p>
 * 饿汉式单例
 */
public class Hungry {
    private Hungry() {

    }

    private final static Hungry HUNGRY = new Hungry();

    public static Hungry getInstance(){
        return HUNGRY;
    }
}

但是饿汉式也有问题，最主要一点就是可能会浪费资源。比如：

public class Hungry {

    private final byte[] data1 = new byte[1024 * 1024];
    private final byte[] data2 = new byte[1024 * 1024];
    private final byte[] data3 = new byte[1024 * 1024];
    private final byte[] data4 = new byte[1024 * 1024];

    private Hungry() {

    }

    private final static Hungry HUNGRY = new Hungry();

    public static Hungry getInstance() {
        return HUNGRY;
    }
}

上述代码一运行，byte 数组就会被初始化，并放入内存中。但如果我一直没有使用 getInstance() 方法，一直不用 Hungry 类，这不就浪费内存了吗？

有没有一种方法让类加载时不进行实例化，只有用的时候才实例化呢？

2.2 懒汉式

懒汉式的特点：类加载时没有生成单例，只有当第一次调用 getlnstance() 方法时才去创建这个单例。

初始代码如下：

/**
 * @author 默烦 2020/10/29
 * <p>
 * 懒汉式单例
 */
public class LazyMan {
    private LazyMan() {

    }

    private static LazyMan lazyMan;

    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null){
            lazyMan = new LazyMan();
        }
        return lazyMan;
    }
}

但是这样的懒汉式有问题，在并发多线程环境下并不是单例的：

public class LazyMan {
    private LazyMan() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ok");
    }

    private static LazyMan lazyMan;

    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null){
            lazyMan = new LazyMan();
        }
        return lazyMan;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                LazyMan.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}

运行上述代码后，控制台可能会出现：

可以看到出现了两个实例，这显然就不是单例的了。

为了避免这种情况，我们可以对代码加锁，修改 getInstance() 方法：

// 双重锁定检查
public static LazyMan getInstance() {
    if (lazyMan == null) {
        synchronized (LazyMan.class) {
            if (lazyMan == null){
                lazyMan = new LazyMan(); // 不是一个原子性操作
            }
        }
    }
    return lazyMan;
}

这就是双重锁定模式（DCL，Double Check Lock）。

早期 JVM 中因为同步的开销巨大，为了降低实现单例模式中同步带来的开销，人们想出了很多技巧，DCL 便是其中一种。

但是 DCL 懒汉式还是有问题，因为：

lazyMan = new LazyMan();

不是一个原子性操作。它会进行三个步骤：

1、分配对象内存空间

2、执行构造方法初始化对象

3、把对象指向这个空间，此时 lazyMan != null

由于指令重排，本来是按 123 顺序的执行可能会变成 132。假设这时有一个线程 A 运行了 lazyMan = new LazyMan();，按照 132 的步骤进行执行，又恰好在第三步执行完，第二步还没执行时线程 B 来了，由于这时候 lazyMan != null 就会直接返回 lazyMan。由于线程 A 没有执行第二步，lazyMan 对象还未初始化，内部的属性极有可能都是 null，将增加出现空指针的概率。

同时需要注意：synchronized虽然保证了线程的原子性（即 synchronized 块中的语句要么全部执行，要么一条也不执行），但单条语句编译后形成的指令并不是一个原子操作（即可能该条语句的部分指令未得到执行，就被切换到另一个线程了）。

因此，需要禁止指令重排，即使用 volatile 修饰的变量。对此，优化后的代码为：

public class LazyMan {
    private LazyMan() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ok");
    }

    // 添加 volatile 关键字
    private volatile static LazyMan lazyMan;

    // 双重锁定检查
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null){
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                LazyMan.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}

两次判断 null 的作用

第一次判断 null 的作用：减少进入同步代码块的次数，提高效率。去掉这次判断并不会影响单例对象的创建，但每次获取对象都需要进入同步代码块中，这会降低代码执行效率。

第二次判断 null 的作用：控制对象实例是单例的。假设线程 A、B 同时执行到同步代码块前，线程 A 先抢到锁，完成对象的创建，然后线程 B 进入同步代码块。如果没有这次 null 值判断，线程 B 又会将一个新的实例赋值给成员变量，这就违背了单例的原则。

3. 使用静态嵌套类实现

/**
 * @author 默烦 2020/10/29
 * <p>
 * 静态嵌套类
 */
public class Holder {
    private Holder() {

    }

    public static Holder getInstance() {
        return InnerClass.HOLDER;
    }

    public static class InnerClass {
        private static final Holder HOLDER = new Holder();
    }
}

使用这种方式也可以保证创建的对象是懒汉单例的，而且还是线程安全的。

静态嵌套类的优点是：外部类加载时并不需要立即加载静态嵌套类，静态嵌套类不被加载则不去初始化 HOLDER，故而不占内存。即当 Holder 第一次被加载时，并不需要去加载 InnerClass，只有当 getInstance() 方法第一次被调用时，才会去初始化 HOLDER，第一次调用 getInstance() 方法会导致虚拟机加载 InnerClass 类，这种方法不仅能确保线程安全，也能保证单例的唯一性，同时也延迟了单例的实例化。

至于是怎么保证线程安全的，可以参考这篇文章：深入理解单例模式：静态内部类单例原理

4. 强大的反射

反射那是一个相当流弊的东西，它可以无视 private 关键字，也就是说它会破坏封装性。说远了，使用反射就将破坏我们编写的单例模式。

修改懒汉式最后给出的示例代码，对 main() 方法进行修改，利用反射创建两个 LazyMan 对象：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    LazyMan instance = LazyMan.getInstance();
    Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
    declaredConstructor.setAccessible(true);

    LazyMan lazyMan = declaredConstructor.newInstance();

    System.out.println(instance);
    System.out.println(lazyMan);
    System.out.println(instance == lazyMan); // false
}

运行截图如下：

哦豁，完犊子。创建的两个对象不是同一个，单例模式失效！

道高一尺，魔高一丈，我们可以在构造方法中加锁并判断，判断成功就抛出异常。修改私有的构造方法：

private LazyMan() {
    synchronized (LazyMan.class) {
        if (lazyMan != null) {
            throw new RuntimeException("不要试图使用反射破坏单例");
        }
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ok");
}

然后再运行：

芜湖，✈️

别得意，看我修改一下 main() 方法中的测试代码：

public static void main(String[] args) throws Exception {
//  LazyMan instance = LazyMan.getInstance();
    Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
    declaredConstructor.setAccessible(true);

    LazyMan instance = declaredConstructor.newInstance();
    LazyMan lazyMan = declaredConstructor.newInstance();

    System.out.println(instance);
    System.out.println(lazyMan);
    System.out.println(instance == lazyMan); // false
}

再次运行：

玩完儿咯，还是创建出两个对象。

小事情，添加一个标志位进行判断即可，再次修改私有的构造方法：

private LazyMan() {
    synchronized (LazyMan.class) {
        if (!flag) {
            flag = true;
        }else {
            throw new RuntimeException("不要试图使用反射破坏单例");
        }
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ok");
}

再次运行：

诶嘿，成功！💪

不就是引入标志位？照样用反射解决它！修改一下 main() 方法中的测试代码：

public static void main(String[] args) throws Exception {

    Field flag = LazyMan.class.getDeclaredField("flag");
    flag.setAccessible(true);

    Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
    declaredConstructor.setAccessible(true);

    LazyMan instance = declaredConstructor.newInstance();
    flag.set(instance, false);

    LazyMan lazyMan = declaredConstructor.newInstance();

    System.out.println(instance);
    System.out.println(lazyMan);
    System.out.println(instance == lazyMan); // false
}

运行：

完了，这咋整啊？

点开 newInstance() 的源码，源码中有这样一段判断：

if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
    throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");

这段判断就是说不能通过反射创建枚举对象，枚举对象自带单例模式！

5. 枚举

enum 的全称为 enumeration， 是 JDK 1.5 中引入的新特性。

在 Java 中，被 enum 关键字修饰的类型就是枚举类型。形式如下：

enum Color { RED, GREEN, BLUE }

明白了基本使用，创建一个枚举测试一下：

/**
 * @author 默烦 2020/10/29
 */
public enum EnumSingle { // 枚举也是一个类
    INSTANCE;

    public EnumSingle getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}


class Test {
    public static void main(String[] args) {
        EnumSingle instance = EnumSingle.INSTANCE;
        EnumSingle instance2 = EnumSingle.INSTANCE;

        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
        System.out.println(instance == instance2);
    }
}

运行结果：

哟嚯？好像还行。

用反射创建枚举试试？修改一下 Test 测试类：

class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        EnumSingle instance = EnumSingle.INSTANCE;
        Constructor<EnumSingle> declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(null);
        declaredConstructor.setAccessible(true);

        EnumSingle enumSingle = declaredConstructor.newInstance();

        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(enumSingle.hashCode());
        System.out.println(instance == enumSingle);

    }
}

运行后有：

出现了一个异常，表示 EnumSingle 类中没有空参构造函数。

但并不是我们在 newInstance() 源码中看到的异常：

if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
    throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");

我们反编译看看：

可以看到，枚举确实是一个类，而且也有空参构造函数。这…

我们需要使用更加专业的反编译工具，比如 JAD。

JAD 下载链接：JAD下载镜像

进入链接后，找到对应的地方进行下载：

下载之后进行解压，找到 jad.exe 并将其放在需要进行反编译的目录：

在这个目录下打开 cmd，我们需要反编译 EnumSingle.class，因此输入命令：

jad -sjava EnumSingle.class

然后会在当前目录下生成反编译后的 Java 文件 EnumSingle.java，打开它：

终于看到不再是无参构造函数了，而是有参构造函数，参数类型分别是 String 和 int。

既然如此，我们修改 Test 测试类中的测试方法：

class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        EnumSingle instance = EnumSingle.INSTANCE;
        // 修改此处 
        Constructor<EnumSingle> declaredConstructor = 
            EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
        declaredConstructor.setAccessible(true);

        EnumSingle enumSingle = declaredConstructor.newInstance();

        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(enumSingle.hashCode());
        System.out.println(instance == enumSingle);

    }
}

再次运行代码：

所以应该使用枚举来实现真正的单例。