Java设计模式之单例设计模式

单例设计模式

概念

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。在应用这个模式时，单例对象的类必须保证有且只有一个实例存在，并且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。

特点

该类中只能有一个实例；

该类必须自己创建出自己的唯一实例；

该类必须给外部提供这个唯一实例。

分类

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。

实现

1.饿汉式-静态变量方式

public class Singleton {
    /**
     * 饿汉式-静态变量方式
     */
    //私有化构造器
    private Singleton(){}

    //创建静态成员变量
    private static Singleton instance = new Singleton();

    //对外提供静态方法获取该单实例
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

说明：

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。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。

2.饿汉式-静态代码块方式

public class Singleton {
    /**
     * 饿汉式-静态代码块方式
     */
    //私有化构造器
    private Singleton(){}

    //创建静态成员变量
    private static Singleton instance;

    //静态代码块(类加载时只执行一次)
    static{
        instance = new Singleton();
    }

    //对外提供静态方法获取该单实例
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

说明：

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，而对象的创建是在静态代码块中，也是对着类的加载而创建。所以和饿汉式的静态变量方式基本上一样，当然该方式也存在内存浪费问题。

3.饿汉式-枚举方式(推荐)

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

说明：

枚举类实现单例模式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，而且枚举类型是所用单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式。

4.懒汉式-静态变量方式

public class Singleton {
    /**
     * 懒汉式-静态变量方式
     */
    //私有化构造器
    private Singleton(){}

    //创建静态成员变量
    private static Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该单例
    public static Singleton getInstance(){
        //判断该实例是否被创建
        if(instance == null){
            return instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

说明：

从上面代码我们可以看出该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并没有进行对象的赋值操作，那么什么时候赋值的呢？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的效果。但是，如果是多线程环境，会出现线程安全问题。

5.懒汉式-静态变量方式(使用synchronized修饰)

public class Singleton {
    /**
     * 懒汉式-静态变量方式
     */
    //私有化构造器
    private Singleton(){}

    //创建静态成员变量
    private static Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该单例(使用synchronized修饰)
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        //判断该实例是否被创建
        if(instance == null){
            return instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

说明：

该方式也实现了懒加载效果，同时又解决了线程安全问题。但是在getInstance()方法上添加了synchronized关键字，导致该方法的执行效果特别低。从上面代码我们可以看出，其实就是在初始化instance的时候才会出现线程安全问题，一旦初始化完成就不存在了。

6.懒汉式-双重检查锁(推荐)

public class Singleton {
    /**
     * 懒汉式-双重检查锁方式
     */
    //私有化构造器
    private Singleton(){}

    //创建静态成员变量
    private static Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该单例(使用synchronized修饰)
    public static Singleton getInstance(){
        //判断该实例是否被创建
        //第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例
        if(instance == null){
            synchronized (Singleton.class){
                //抢到锁之后再次判断instance是否为null
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

说明：

懒汉模式中加锁的问题，对于 getInstance() 方法来说，绝大部分的操作都是读操作，读操作是线程安全的，所以我们没必让每个线程必须持有锁才能调用该方法，我们需要调整加锁的时机。 由此也产生了一种新的实现模式：双重检查锁模式。 双重检查锁模式是一种非常好的单例实现模式，解决了单例、性能、线程安全问题，上面的双重检测锁模式看上去完美无缺，其实是存在问题，在多线程的情况下，可能会出现空指针问题，出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。

要解决双重检查锁模式带来空指针异常的问题，只需要使用 volatile 关键字, volatile 关键字可以保证可见性和有序性。

private static volatile Singleton instance; 

添加 volatile 关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例实现模式，能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题。

7.懒汉式-静态内部类方式(推荐)

public class Singleton {
    /**
     * 懒汉式-静态内部类方式
     */
    //私有化构造器
    private Singleton(){}

    //静态内部类
    private static class SingletonHolder{
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    //对外提供静态方法获取该单例
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

说明：

第一次加载Singleton类时不会去初始化INSTANCE，只有第一次调用getInstance()方法，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。

问题

我们可以使用序列化和反射这两种方式去破坏单例模式，使上面定义的单例类（Singleton）可以创建多个对象，枚举方式除外。

1.序列化反序列化

Singleton类

public class Singleton implements Serializable {
    /**
     * 序列化反序列化
     */
    //私有构造方法
    private Singleton(){}

    //静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //对外提供静态方法获取该单例
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

}

Test类

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //往文件中写对象
        //writeObject2File();
        //从文件中读取对象
        Singleton s1 = readObjectFromFile();
        Singleton s2 = readObjectFromFile();

        //判断两个反序列化后的对象是否是同一个对象
        System.out.println(s1 == s2);
    }

    private static Singleton readObjectFromFile() throws Exception {
        //创建对象输入流对象
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("C:\\Users\\BanQ\\Desktop\\a.txt"));
        //第一个读取Singleton对象
        Singleton instance = (Singleton) ois.readObject();
        return instance;
    }

    public static void writeObject2File() throws Exception {
        //获取Singleton类的对象
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        //创建对象输出流
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("C:\\Users\\BanQ\\Desktop\\a.txt"));
        //将instance对象写出到文件中
        oos.writeObject(instance);
    }
}

说明：

上面代码运行结果是false，表明序列化和反序列化已经破坏了单例设计模式。

2.反射

Singleton类

public class Singleton {
    /**
     * 反射
     */
    //私有构造方法
    private Singleton(){}

    //创建静态变量
    private static volatile Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该单例
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance != null) {
            return instance;
        }
        synchronized (Singleton.class) {
            if(instance != null) {
                return instance;
            }
            instance = new Singleton();
            return instance;
        }
    }

}

Test类

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //获取Singleton类的字节码对象
        Class clazz = Singleton.class;
        //获取Singleton类的私有无参构造方法对象
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
        //取消访问检查
        constructor.setAccessible(true);

        //创建Singleton类的对象s1
        Singleton s1 = (Singleton) constructor.newInstance();
        //创建Singleton类的对象s2
        Singleton s2 = (Singleton) constructor.newInstance();

        //判断通过反射创建的两个Singleton对象是否是同一个对象
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

说明：

上面代码运行结果是false，表明反射已经破坏了单例设计模式 。

解决

在Singleton类中添加readResolve()方法，在反序列化时被反射调用，如果定义了这个方法，就返回这个方法的值，如果没有定义，则返回新new出来的对象。

1.序列化反序列化解决方法

public class Singleton implements Serializable{
    /**
     * 反射
     */
    //私有构造方法
    private Singleton(){}

    //静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //对外提供静态方法获取该单例
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    //解决序列化反序列化破解单例模式
    private Object readResolve() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

}

解析 ObjectInputStream类

public final Object readObject() throws IOException, ClassNotFoundException{
    ...
    // if nested read, passHandle contains handle of enclosing object
    int outerHandle = passHandle;
    try {
        Object obj = readObject0(false);//重点查看readObject0方法
    .....
}
    
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
    ...
    try {
        switch (tc) {
            ...
            case TC_OBJECT:
                return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));//重点查看readOrdinaryObject方法
            ...
        }
    } finally {
        depth--;
        bin.setBlockDataMode(oldMode);
    }    
}
    
private Object readOrdinaryObject(boolean unshared) throws IOException {
    ...
    //isInstantiable 返回true，执行 desc.newInstance()，通过反射创建新的单例类，
    obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null; 
    ...
    // 在Singleton类中添加 readResolve 方法后 desc.hasReadResolveMethod() 方法执行结果为true
    if (obj != null && handles.lookupException(passHandle) == null && desc.hasReadResolveMethod()) {
        // 通过反射调用 Singleton 类中的 readResolve 方法，将返回值赋值给rep变量
        // 这样多次调用ObjectInputStream类中的readObject方法，继而就会调用我们定义的readResolve方法，所以返回的是同一个对象。
        Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
        ...
    }
    return obj;
}

2.反射解决方法

public class Singleton {
    /**
     * 反射
     */
    //私有构造方法
    private Singleton(){
        //反射破解单例模式需要添加的代码
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    //创建静态变量
    private static volatile Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该单例
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance != null) {
            return instance;
        }
        synchronized (Singleton.class) {
            if(instance != null) {
                return instance;
            }
            instance = new Singleton();
            return instance;
        }
    }

}

说明：

这种方式比较好理解。当通过反射方式调用构造方法进行创建创建时，直接抛异常。不运行此中操作。

应用

Runtime类就是使用的单例设计模式。

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() {}
    ...
}

说明：

从上面源代码中可以看出Runtime类使用的是恶汉式（静态属性）方式来实现单例模式的。

总结

本文总结了七种Java中实现单例的方法，其中双重检查锁和静态内部类的方式可以解决大部分问题，平时工作中使用的最多的也是这两种方式。枚举方式虽然很完美的解决了各种问题，但是这种写法多少让人感觉有些生疏。个人的建议是，在没有特殊需求的情况下，使用双重检查锁和静态内部类的方式实现单例模式。