史上最全讲解单例模式以及分析源码中的应用

智数浮尘
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1、单例模式介绍

所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。

比如Hibernate 的SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建Session 对象。SessionFactory 并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个SessionFactory 就够，这是就会使用到单例模式。

2、单例模式的种类

  • 饿汉式（静态常量）
  • 饿汉式（静态代码块）
  • 懒汉式（线程不安全）
  • 懒汉式（线程安全，同步方法）
  • 懒汉式（线程安全，同步代码块）
  • 双重检查
  • 静态内部类
  • 枚举

1、饿汉式（静态常量）

步骤：

  • 构造方法私有化
  • 内的内部创建对象
  • 向外暴露一个静态的公共方法
public class Singleton01 {
    
    private static final Singleton01 INSTANCE = new Singleton01();

    /**
     * 构造方法私有化，防止new
     */
    private Singleton01(){

    }

    /**
     * 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
     * @return INSTANCE
     */
    public static Singleton01 getINSTANCE() {
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Singleton01 instance1 = Singleton01.getINSTANCE();
        Singleton01 instance2 = Singleton01.getINSTANCE();
        System.out.println(instance1 == instance2);
        System.out.println("instance1.hashCode = " + instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode = " + instance2.hashCode());
    }
}

优缺点：

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费

这种方式基于classloder 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，在单例模式中大多数都是调用getInstance 方法，但是导致类装载的原因有很多种，因此不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化instance 就没有达到lazy loading 的效果

破坏单例的情形
  • 反射破坏单例：利用反射创建实例对象
  • 反序列化破坏单例：前提是实现了implements Serializable接口
  • Unsafe 破坏单例：这种情形是不能避免的
1、反射破坏单例
利用反射获取类的构造方法
private static void reflection(Class<?> clazz) throws NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, InvocationTargetException {
    Constructor<?> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    System.out.println("反射创建实例:" + constructor.newInstance());
}

如何避免呢？

调用的时候加一层判断，如果创建了，则返回原实例或者抛出异常
private Singleton1() {
    if (INSTANCE != null) {
        throw new RuntimeException("单例对象不能重复创建");
    }
    System.out.println("private Singleton1()");
}
2、反序列化破坏单例
通过对象输出流将对象转成为字节流，再通过ByteArrayInputStream方法将字节流转为对象
private static void serializable(Object instance) throws IOException, ClassNotFoundException {
    ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
    oos.writeObject(instance);
    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()));
    System.out.println("反序列化创建实例:" + ois.readObject());
}

如何避免呢？

//方法名是固定的
public Object readResolve() {
    return INSTANCE;
}
3、Unsafe 破坏单例
通过反射调用JDK内置的Unsafe方法破坏单例
private static void unsafe(Class<?> clazz) throws InstantiationException {
    Object o = UnsafeUtils.getUnsafe().allocateInstance(clazz);
    System.out.println("Unsafe 创建实例:" + o);
}

如何避免呢？

暂时还没有找到解决的方法，大佬们知道如何解决吗？

总结：这种单例模式可用，可能造成内存浪费，启动就创建对象实例

2、饿汉式（静态代码块）

public class Singleton02 {

    private static final Singleton02 INSTANCE ;

    /**
     * 在静态代码块中，创建单例对象
     */
    static {
        INSTANCE = new Singleton02();
    }

    /**
     * 构造方法私有化，防止new
     */
    private Singleton02(){

    }

    /**
     * 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
     * @return INSTANCE
     */
    public static Singleton02 getINSTANCE() {
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Singleton02 instance1 = Singleton02.getINSTANCE();
        Singleton02 instance2 = Singleton02.getINSTANCE();
        System.out.println(instance1 == instance2);
        System.out.println("instance1.hashCode = " + instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode = " + instance2.hashCode());
    }
}

优缺点：

这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

总结：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

3、懒汉式（线程不安全）

public class Singleton03 {

    private static Singleton03 INSTANCE ;

    /**
     * 构造方法私有化，防止new
     */
    private Singleton03(){

    }

    /**
     * 提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建instance
     * @return INSTANCE
     */
    public static Singleton03 getINSTANCE() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new Singleton03();
        }
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //模拟1000个线程访问
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("instance.hashCode= " + Singleton03.getINSTANCE().hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

优缺点：

达到了Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。

如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

结论：在实际开发中，不要使用这种方式.

4、懒汉式（线程安全，同步方法）

public class Singleton04 {

    private static Singleton04 INSTANCE ;

    /**
     * 构造方法私有化，防止new
     */
    private Singleton04(){

    }

    /**
     * 提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
     * @return INSTANCE
     */
    public static synchronized Singleton04 getINSTANCE() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new Singleton04();
        }
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(() ->{
                System.out.println("instance.hashCode= " + Singleton03.getINSTANCE().hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

优缺点：

解决了线程安全问题，给公有方法加上了锁

效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接return 就行了。方法进行同步效率太低

结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

5、懒汉式（线程安全，同步代码块）

public class Singleton05 {

    private static Singleton05 INSTANCE ;

    /**
     * 构造方法私有化，防止new
     */
    private Singleton05(){

    }

    /**
     * 提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
     * @return INSTANCE
     */
    public static Singleton05 getINSTANCE() {
        if (INSTANCE == null) {
            //同步代码块
            synchronized (Singleton03.class){
                INSTANCE = new Singleton05();
            }
        }
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(() ->{
                System.out.println("instance.hashCode= " + Singleton03.getINSTANCE().hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

优缺点：

通过试图同步代码块来提高效率，解决线程安全

但事实上不可行，如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

6、双重检查

public class Singleton06 {

    private static volatile Singleton06 INSTANCE ;

    /**
     * 构造方法私有化，防止new
     */
    private Singleton06(){

    }

    /**
     * 提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
     * @return INSTANCE
     */
    public static Singleton06 getINSTANCE() {
        if (INSTANCE == null) {
            //同步代码块
            synchronized (Singleton03.class){
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton06();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(() ->{
                System.out.println("instance.hashCode= " + Singleton06.getINSTANCE().hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

为何必须加 volatile：

  • INSTANCE = new Singleton4() 不是原子的，分成 3 步：创建对象、调用构造、给静态变量赋值，其中后两步可能被指令重排序优化，变成先赋值、再调用构造
  • 如果线程1 先执行了赋值，线程2 执行到第一个 INSTANCE == null 时发现 INSTANCE 已经不为 null，此时就会返回一个未完全构造的对象

优缺点：

Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。

这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton == null)，直接return 实例化对象，也避免的反复进行方法同步.

线程安全；延迟加载；效率较高

总结：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

7、静态内部类

public class Singleton07 {

    /**
     * 构造方法私有化，防止new
     */
    private Singleton07(){

    }

    /**
     * 写一个静态内部类,该类中有一个静态属性Singleton
     */
    public static class SingletonClass{
        private static final Singleton07 INSTANCE = new Singleton07();
    }

    /**
     * 提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
     * @return INSTANCE
     */
    public static Singleton07 getINSTANCE() {
        return SingletonClass.INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(() ->{
                System.out.println("instance.hashCode= " + Singleton07.getINSTANCE().hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

优缺点：

这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。

静态内部类方式在Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance 方法，才会装载SingletonClass 类，从而完成Singleton 的实例化。

类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM 帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。

优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高

结论：推荐使用

8、枚举

public enum Singleton08 {
    INSTANCE;

    public void sayHello(){
        System.out.println("你好，枚举单例模式！");
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() ->{
                INSTANCE.sayHello();
                System.out.println("instance.hashCode = "+INSTANCE.hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

优缺点：

借助JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。

3、单例模式在JDK 应用的源码分析

1、饿汉式

JDK 中，java.lang.Runtime 就是经典的单例模式(饿汉式)
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() {}
    
    ······
}

2、双检锁懒汉式单例

System类中的Console对象的创建就是用的双重检锁
private static volatile Console cons = null;
/**
     * Returns the unique {@link java.io.Console Console} object associated
     * with the current Java virtual machine, if any.
     *
     * @return  The system console, if any, otherwise <tt>null</tt>.
     *
     * @since   1.6
     */
public static Console console() {
    if (cons == null) {
        synchronized (System.class) {
            if (cons == null) {
                cons = sun.misc.SharedSecrets.getJavaIOAccess().console();
            }
        }
    }
    return cons;
}

3、内部类懒汉式单例

Collections类中的ReverseComparator.REVERSE_ORDER 就是内部类懒汉式单例
private static class ReverseComparator
    implements Comparator<Comparable<Object>>, Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 7207038068494060240L;

    static final ReverseComparator REVERSE_ORDER
        = new ReverseComparator();

    public int compare(Comparable<Object> c1, Comparable<Object> c2) {
        return c2.compareTo(c1);
    }

    private Object readResolve() { return Collections.reverseOrder(); }

    @Override
    public Comparator<Comparable<Object>> reversed() {
        return Comparator.naturalOrder();
    }
}

4、内部类懒汉式单例

Collections 中的 EmptyNavigableSet 就是内部类懒汉式单例
private static class EmptyNavigableSet<E> extends UnmodifiableNavigableSet<E>
    implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -6291252904449939134L;

    public EmptyNavigableSet() {
        super(new TreeSet<E>());
    }

    private Object readResolve()        { return EMPTY_NAVIGABLE_SET; }
}

5、枚举饿汉式单例

Comparators.NaturalOrderComparator.INSTANCE 枚举饿汉式单例
class Comparators {
    private Comparators() {
        throw new AssertionError("no instances");
    }

    /**
     * Compares {@link Comparable} objects in natural order.
     *
     * @see Comparable
     */
    enum NaturalOrderComparator implements Comparator<Comparable<Object>> {
        INSTANCE;

        @Override
        public int compare(Comparable<Object> c1, Comparable<Object> c2) {
            return c1.compareTo(c2);
        }

        @Override
        public Comparator<Comparable<Object>> reversed() {
            return Comparator.reverseOrder();
        }
    }
    ......
}

4、注意事项和细节说明

单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。

当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new

单例模式使用的场景：

  • 需要频繁的进行创建和销毁的对象
  • 创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即：重量级对象)
  • 但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session 工厂等)

5、总结

经验之谈：一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。
设计模式
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