Java 单例以及单例所引发的思考
前言
前几天无意中看到一篇文章，讲到了老生常谈的单例，抱着复习一下的心态点了进去，还是那些熟悉的内容，可是却发现自己思考的角度变了，以前更多的是去记忆，只停留在表面，而现在更多的是去思考为什么会这么做。所以今天我也来总结一下Java中常见的单例，并记录下自己的思考。
正文
Java中常见的几类单例：
- 饿汉式单例
- 双重检查锁单例
- 静态内部类单例
- 枚举单例
我们来逐个分解：
饿汉式单例
public class Singleton {
private Singleton() {}
private static final Singleton instance = new Singleton();
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
饿汉式单例中instance的初始化是在类加载时进行的，而类的加载是由ClassLoader来完成，这个过程由JVM来保证同步，所以这种方式天生是线程安全的。它的缺点也显而易见：容易造成资源的浪费，并且如果构造方法中处理过多，还有可能引发性能问题。
双重检查锁单例
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
这是进化到最终的完美版，它的优点很多，我们来挨个分析：
- 延迟加载，它的实例在第一次使用时才会创建
- 线程安全，使用synchronized来解决线程同步的问题
- 性能提升，如果只有一次检查的话，相当于为了解决1%几率的同步问题，而使用了一个100%出现的防护盾。双重检查就是把100%出现的防护盾，也改为1%的几率出现。只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段——大大减少了几率。
这里还得提一下volatile关键字，volatile主要的作用有两点:
- 内存可见性：可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。
- 禁止指令重排：双重检查锁单例中利用的就是这一点。
那什么是指令重排呢？指令重排是指计算机为了提高执行效率，会做一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。
以下是引用程序员之家公众号里关于指令重排导致程序出错的例子，写得非常清楚：
主要是在 instance = new Singleton() 这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。
- 给 instance 分配内存
- 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
- 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance才是非 null ）
但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。
再稍微解释一下，就是说，由于有一个『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance == null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。
这里的关键在于——线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。
把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障，这样在它的赋值完成之前，就不用调用读操作。
注意：volatile阻止的不instance = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。
静态内部类单例
public class Singleton {
private Singleton() {}
private static class InnerClass {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return InnerClass.INSTANCE;
}
}
由于InnerClass是一个内部类，只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。并且InnerClass初始化的时候会由ClassLoader来保证同步。
一些个人的思考
当我第一次看见这种写法的时候，不禁惊叹于它的巧妙，既利用了ClassLoader保证同步，又实现了延迟加载，简直神乎其技。但是前几天当我再次体会这种写法时，便产生了一些思考，为什么一定要用静态内部类来实现呢，用非静态内部类行不行呢？
答案当然是不行的，但是原因究竟是什么呢？一开始我以为只有静态内部类才会在第一次调用时被加载，其实这是不正确的，内部类（静态和非静态）都是在第一次调用时才会被加载。
后来我直接把静态内部类前的static关键字去掉，编译器报错 Inner classes cannot have static declarations（内部类不能持有静态的声明），这是为什么呢？
我们知道要使用一个类的静态成员，需要先把这个类加载到虚拟机中，而成员内部类是需要由外部类对象 new 一个实例才可以使用，这就无法做到静态成员的要求。所以Java不允许非静态内部类持有静态的声明。
枚举单例
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void func() {
// do something
}
}
使用枚举除了线程安全和防止反射强行调用构造方法外，枚举的序列化是由JVM保证的，可以防止反序列化时生成新的对象，从而保证了枚举实例的唯一性。因此，Effective Java推荐尽可能地使用单元素枚举来实现单例。
一些个人的思考
这个时候我产生了疑问，枚举单例是如何防止反射攻击的呢？
这个问题困扰了我很久，也被网上的一些错误答案误导过，最终经过好几次的查找和实验，终于拨开迷雾见到了真容。
我们来尝试运行一下这段代码，看看会发生什么：
Constructor<Singleton> constructor;
try {
constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
constructor.setAccessible(true);
Singleton singleton = constructor.newInstance("otherInstance", 7);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
代码直接抛出了异常 Cannot reflectively create enum objects
Exception
不能通过反射创建枚举对象，这又是为什么呢？其实答案就在源码中，我们来看一看 Constructor 类里的 newInstance() 方法：
newInstance()
注意看高亮的部分，反射在通过 newInstance 创建对象时，会检查该类是否为枚举类，如果是，则抛出异常，反射失败。说明创建枚举实例只有编译器能够做到。显然枚举单例模式确实是很不错的选择，因此我们推荐使用它。
但是这对于Android平台来说可能未必是最好的选择，在Android开发中内存优化是需要时刻注意的问题，使用枚举占用的内存常常是静态变量的两倍甚至更多，因此Android官方在内存优化方面给出的建议是尽量避免在Android中使用enum。
结语
越来越觉得自己对基础的把握不够了，看来是应该抽出时间把Java基础好好过一遍了。今天是新年的第一天，祝大家新年快乐，身体健康~（别像我一样，元旦放假三天，全在重感冒中度过）
