GoF23:单例模式(singleton)

目录

• 单例模式简介
• 常见五种单例模式的实现方式
  • 饿汉式
  • 懒汉式
  • DCL懒汉式
  • 饿汉式改进（静态内部类式）
  • 枚举单例
• 防止反射破坏单例模式

单例模式简介

• 核心作用：保证一个类只有一个实例，并且提供一个访问该实例的全局访问点。
• 常见场景：
  1. Windows的任务管理器
  2. Windows回收站
  3. 项目中，读取配置文件的工具类
  4. 网站的计数器一般也会采用单例模式，可以保证同步
  5. 数据库连接池的设计一般也是单例模式
  6. 在Servlet编程中，每个Servlet也是单例的
  7. 在Spring中，每个Bean默认就是单例的

常见五种单例模式的实现方式

饿汉式

// 饿汉式
public class Hungry {
    // 1.私有化构造器
    private Hungry() {

    }

    // 2.类初始化的时候，立即加载该对象
    private static Hungry instance = new Hungry();

    // 3.提供获取该对象的方法，没有synchronized，效率高
    public static Hungry getInstance() {
        return instance;
    }
}

• 饿汉式是最简单的单例模式的写法，保证了线程的安全，执行效率高，但不能延时加载。
• 但饿汉式也存在一些问题，比如，在单例中要创建大量的数据。

public class Hungry {
    private byte[] data1 = new byte[1024];
    private byte[] data2 = new byte[1024];
    private byte[] data3 = new byte[1024];
    private byte[] data4 = new byte[1024];

    private Hungry() {
    }

    private final static Hungry hungry = new Hungry();

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

• 在Hungry类中，定义了四个byte数组，当代码一运行，这四个数组就被初始化，并且放入到内存中，如果长时间没有使用getInstance()方法，不需要Hungry类的对象，就会对内存造成一种浪费。

• 我们希望只有在使用getInstance()方法时，才会去初始化单例类，加载单例类中的数据。因此，有了第二种单例模式：懒汉式。

懒汉式

// 懒汉式
public class LazyMan {
    // 1.私有化构造器
    private LazyMan() {}

    // 2.类初始化的时候，不立即加载该对象
    private static LazyMan instance;

    // 3.提供获取该对象的方法，有synchronized，效率较低
    public static synchronized LazyMan getInstance() {
       if (instance == null) {
           instance = new LazyMan();
       }
       return instance;
    }
}

• 懒汉式，保证线程安全，可以延时加载，但调用效率不高（获取该实例的方法上加了synchronized）。

DCL懒汉式

public class LazyMan {
    private LazyMan() {
    }
	// 类初始化的时候，不立即加载该对象
    private static LazyMan lazyMan;
	// 双重检查
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
         	// 静态同步代码块，锁对象为本类的class属性
			/*
			加锁是为了确保第一个拿到锁对象的线程创建对象后，
			第二个拿到锁对象的线程无需再创建新对象
			*/
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }
}

• Double Checked Lock 双重锁，优化了懒汉式同步慢的问题，由于JVM底层内部模型原因，偶尔会出现问题，不建议使用

• DCL懒汉式的单例，保证了线程的安全性，又符合懒加载，只有在用到的时候，才回去初始化，调用效率也比较高，但是这种写法在极端情况下，还是可能会有一定的问题。

• 因为 lazyMan = new LazyMan();不是原子操作，至少会经过以下三个步骤：

1. 分配内存
2. 执行构造方法
3. 指向地址

• 由于指令重排，导致A线程执行lazyMan = new LazyMan();时，可能先执行了第三步（还没有执行第二步），此时B线程又进来了，发现 lazyMan不为空，直接返回了lazyMan，并且后面使用了返回的 lazyMan，由于此时线程A还没有第二部，导致此时lazyMan还不完整，可能会有一些意象不到的错误，所以就有了下面一种单例模式。

• 这种单例模式只是在上面DCL单例模式增加一个volatile关键字来避免指令重排：

public class LazyMan {
    private LazyMan() {
    }
	// 增加volatile关键字，避免指令的重排，保证它的原子性和一致性
    private volatile static LazyMan lazyMan;
	// 双重检查
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
         	// 静态同步代码块，锁对象为本类的class属性
			/*
			加锁是为了确保第一个拿到锁对象的线程创建对象后，
			第二个拿到锁对象的线程无需再创建新对象
			*/
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }
}

饿汉式改进（静态内部类式）

• 还有这种方式是第一种饿汉式的改进版本，同样也是在类中定义static变量的对象，并且直接初始化，不过是移到了静态内部类中，十分巧妙。既保证了线程的安全性，同时又满足了懒加载。

// 静态内部类实现
public class Holder {
    // 1.私有化构造方法
    private Holder() {
    }

    // 2.私有静态内部类
    private static class InnerClass {
        private static final Holder instance = new Holder();
    }

    // 3.获取该对象的方法
    public static Holder getInstance() {
        return InnerClass.instance;
    }
}

枚举单例

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    public EnumSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

• 枚举类型是纯天然的单例模式
• 线程安全，调用效率高，但不能延时加载
• 枚举类型是目前最推荐的单例模式的写法，因为足够简单，不需要自己开发去保证线程的安全性，同时可以有效的防止反射来破化我们的单例模式
• 在newInstance的源码中：

• 如果我们使用反射创建枚举类型对象，就会直接抛出异常

防止反射破坏单例模式

// DCL懒汉式
public class LazyMan {
    private LazyMan() {}

    // 2.类初始化时，不立即加载该对象
    // 增加volatile关键字，避免指令的重排，保证它的原子性和一致性
    private volatile static LazyMan instance;

    // 3.获取该对象的方法
    public static LazyMan getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 静态同步代码块
            // 和其他线程竞争本类的锁
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

class LazyManTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
    	// 调用静态方法创建
        LazyMan instance1 = LazyMan.getInstance();
        // 使用反射方式创建
        Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor();
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        LazyMan instance2 = declaredConstructor.newInstance();

        System.out.println(instance1 == instance2); // false
    }
}

​ 问题：当我们调用懒汉模式的静态方法创建了一个单例对象，又使用反射方式创建了一个对象，通过比较得出：两个对象的引用不是同一个引用，这就用反射破坏了我们的单例模式。

​ 解决方式：在私有构造器中进行一个判断，如果 lazyMan 不为空，说明 lazyMan 已经被创建过了，如果正常调用 getInstance 方法，是不会出现这种事情的，所以直接抛出异常

public class LazyMan {
    private LazyMan() {
        synchronized (LazyMan.class) {
            if (lazyMan != null) {
                throw new RuntimeException("不要试图用反射破坏单例模式");
            }
        }
    }

    private volatile static LazyMan lazyMan;

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

​ 但是这种写法还是有问题：在上面我们先是正常调用了 getInstance 方法，创建了LazyMan对象，而后第二次用反射创建对象，这样私有构造函数里的判断就起到作用，如果我们两次都是用反射创建对象呢？

​ 问题：如果两次都用反射创建对象，那么还是会创建两个不同的对象，依旧破坏了单例模式。

​ 原因：private volatile static LazyMan lazyMan;这条语句中的lazyMan引用没有被赋值对象的地址，也就是说lazyMan对象没有被构造方法创建，在内存中没有用getInstance方法去初始化lazyMan引用，此时的lazyMan引用一直为null，在私有构造器中的判断就不起作用了。

​ 解决方式：定义一个静态布尔类型的flag变量，初始值为false，私有构造函数里面做一个判断，当第一次创建对象时，flag == false（肯定的），就把 flag 置为 true；当第二次创建对象时，flag已经为ture，这就说明出现问题了，正常的调用是不会第二次跑到私有构造方法中的，所以抛出异常。

public class LazyMan {
    private static boolean flag = false;
    private LazyMan() {
        synchronized (LazyMan.class) {
            if (flag == false) {
                flag = true;
            } else {
                throw new RuntimeException("不要试图用反射破坏单例模式");
            }
        }
    }
    private volatile static LazyMan lazyMan;
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }
}

​ 看起来很美好，但是还是不能阻止反射破坏单例模式，因为可以用反射破坏flag的值。

并没有一个很好的方案去避免反射破坏单例模式，但枚举类型是纯天然防止使用反射创建对象的，如果枚举去newInstance就直接抛出异常了。