创建型-单例模式

3/28/2022 单例模式

# 总览

单例模式使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

# 实现方式

# 懒汉式-线程不安全

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致多次实例化 uniqueInstance。

# 饿汉式-线程安全

private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被多次实例化，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。

但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

# 懒汉式-线程安全

public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
    if (uniqueInstance == null) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
    return uniqueInstance;
}

只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了多次实例化 uniqueInstance 的问题。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，因此性能上有一定的损耗。

# 双重校验锁-线程安全

class TestSingleton_3{
    private static volatile TestSingleton_3 testSingleton_3;
    private TestSingleton_3(){
    }
    public static TestSingleton_3 getTestSingleton(){
        if(testSingleton_3 == null){
            synchronized (TestSingleton_3.class){
                if(testSingleton_3 == null){
                    testSingleton_3 = new TestSingleton_3();
                }
            }
        }
        return testSingleton_3;
    }
}

testSingleton_3只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 testSingleton_3没有被实例化时，才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 testSingleton_3是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 testSingleton_3 == null 的情况下，如果两个线程同时执行 if 语句，那么两个线程就会同时进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 testSingleton_3**= new** TestSingleton_3**(); 这条语句，只是先后的问题**，那么就会进行两次实例化，从而产生了两个实例。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句。

if(testSingleton_3 == null){
    synchronized (TestSingleton_3.class){
       testSingleton_3 = new TestSingleton_3();   
    }
}

testSingleton_3采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的。testSingleton_3= new TestSingleton_3(); 这段代码其实是分为三步执行。

分配内存空间
初始化对象
将 testSingleton_3指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，有可能执行顺序变为了 1>3>2，这在单线程情况下自然是没有问题。但如果是多线程下，有可能获得是一个还没有被初始化的实例，以致于程序出错。

使用 volatile （详见：https://www.yuque.com/hanchanmingqi-zjjw3/kb/yz4o8n）可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

# 静态内部类实现-线程安全

class TestSingleton_4{
    private TestSingleton_4(){ 
        
    }
    private static class InnerStaticSingleton{
        private static final TestSingleton_4 testSingleton = new TestSingleton_4();
    }
    public static TestSingleton_4 getTestSingleton(){
        return InnerStaticSingleton.testSingleton;
    }
}

当 Singleton 类加载时，静态内部类 InnerStaticSingleton没有被加载进内存。

只有当调用 getTestSingleton() 方法从而触发 TestSingleton_4.testSingleton时 InnerStaticSingleton才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由虚拟机提供了对线程安全的支持。要注意这里需要使用final关键字。

# 枚举实现-线程安全

public enum Singleton {

    INSTANCE;

    private String objName;

    public String getObjName() {
        return objName;
    }
    public void setObjName(String objName) {
        this.objName = objName;
    }
    public static void main(String[] args) {
        // 单例测试
        Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
        firstSingleton.setObjName("firstName");
        System.out.println(firstSingleton.getObjName());
        Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
        secondSingleton.setObjName("secondName");
        System.out.println(firstSingleton.getObjName());
        System.out.println(secondSingleton.getObjName());

        // 反射获取实例测试
        try {
            Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
            for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
                System.out.println(enumConstant.getObjName());
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

该实现可以防止反射攻击。在其它实现中，通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。

该实现在多次序列化和序列化之后，不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段，并且实现序列化和反序列化的方法。

# 如何解决序列化时可以创建出单例对象的问题?

如果将单例对象序列化成字节序列后，然后再反序列成对象，那么就可以创建出一个新的单例对象，从而导致单例不唯一，避免发生这种情况的解决方案是在单例类中实现readResolve()方法。

public class Singleton implements java.io.Serializable {     

   private Object readResolve() {     
         return INSTANCE;     
    }    
}

通过实现readResolve方法，ObjectInputStream实例对象在调用readObject()方法进行反序列化时，就会判断相应的类是否实现了readResolve()方法，如果实现了，就会调用readResolve()方法返回一个对象作为反序列化的结果，而不是去创建一个新的对象。

设计原则创建型-简单工厂-工厂方法-抽象工厂

WaleGarrett

Choose mode