代码改变世界

你真的会写单例吗？

2016-10-19 15:44  熠熠闪光  阅读(375)  评论(0)  编辑  收藏  举报

Java单例模式可能是最简单也是最常用的设计模式，一个完美的单例需要做到哪些事呢？

  1. 单例（这不是废话吗）
  2. 延迟加载
  3. 线程安全
  4. 没有性能问题
  5. 防止序列化产生新对象
  6. 防止反射攻击

可以看到，真正要实现一个完美的单例是很复杂的，那么，让我这个司机带大家看一看正确姿势的单例。

最佳实践单例之枚举

没错，直接就上最佳实践，就是这么任性

这货长这样：

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  1. public enum Singleton{  
  2.     INSTANCE;  
  3. }  

如果你不熟悉枚举，可能会说：这货是啥？！

这种方式的好处是：

  1. 利用的枚举的特性实现单例
  2. 由JVM保证线程安全
  3. 序列化和反射攻击已经被枚举解决

调用方式为Singleton.INSTANCE, 出自《Effective Java》第二版第三条: 用私有构造器或枚举类型强化Singleton属性。

关于单例最佳实践的讨论可以看Stackoverflow：what-is-an-efficient-way-to-implement-a-singleton-pattern-in-java

下面将会介绍更为常见的单例模式，但是均未处理反射攻击，如果想了解更多可以看这篇文章：如何防止单例模式被JAVA反射攻击

最简单的单例之饿汉式

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  1. public class Singleton {  
  2.     private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
  3.     // 私有化构造函数  
  4.     private Singleton(){}  
  5.   
  6.     public static Singleton getInstance(){  
  7.         return INSTANCE;  
  8.     }  
  9. }  

这种单例的写法最简单，但是缺点是一旦类被加载，单例就会初始化，没有实现懒加载。而且当实现了Serializable接口后，反序列化时单例会被破坏。

实现Serializable接口需要重写readResolve，才能保证其反序列化依旧是单例：

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  1. public class Singleton implements Serializable {  
  2.     private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
  3.     // 私有化构造函数  
  4.     private Singleton(){}  
  5.   
  6.     public static Singleton getInstance(){  
  7.         return INSTANCE;  
  8.     }  
  9.   
  10.     /** 
  11.      * 如果实现了Serializable, 必须重写这个方法 
  12.      */  
  13.     private Object readResolve() throws ObjectStreamException {  
  14.         return INSTANCE;  
  15.     }  
  16. }  

OK，反序列化要注意的就是这一点，下面的内容中就不再复述了。

最体现技术的单例之懒汉式

懒汉式即实现延迟加载的单例，为上述饿汉式的优化形式。而因其仍需要进一步优化，往往成为面试考点，让我们一起来看看坑爹的“懒汉式”

懒汉式的最初形式是这样的：

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  1. public class Singleton {  
  2.     private static Singleton INSTANCE;  
  3.     private Singleton (){}  
  4.   
  5.     public static Singleton getInstance() {  
  6.      if (INSTANCE == null) {  
  7.          INSTANCE = new Singleton();  
  8.      }  
  9.      return INSTANCE;  
  10.     }  
  11. }  

这种写法就轻松实现了单例的懒加载，只有调用了getInstance方法才会初始化。但是这样的写法出现了新的问题--线程不安全。当多个线程调用getInstance方法时，可能会创建多个实例，因此需要对其进行同步。

如何使其线程安全呢？简单，加个synchronized关键字就行了

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  1. public static synchronized Singleton getInstance() {  
  2.     if (INSTANCE == null) {  
  3.         INSTANCE = new Singleton();  
  4.     }  
  5.     return INSTANCE;  
  6. }  

可是...这样又出现了性能问题，简单粗暴的同步整个方法，导致同一时间内只有一个线程能够调用getInstance方法。

因为仅仅需要对初始化部分的代码进行同步，所以再次进行优化：

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  1. public static Singleton getSingleton() {  
  2.     if (INSTANCE == null) {               // 第一次检查  
  3.         synchronized (Singleton.class) {  
  4.             if (INSTANCE == null) {      // 第二次检查  
  5.                 INSTANCE = new Singleton();  
  6.             }  
  7.         }  
  8.     }  
  9.     return INSTANCE ;  
  10. }  

执行两次检测很有必要：当多线程调用时，如果多个线程同时执行完了第一次检查，其中一个进入同步代码块创建了实例，后面的线程因第二次检测不会创建新实例。

这段代码看起来很完美，但仍旧存在问题，以下内容引用自黑桃夹克大神的如何正确地写出单例模式

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于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。

  1. 给 instance 分配内存
  2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
  3. 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）

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。

我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

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  1. public class Singleton {  
  2.     private volatile static Singleton INSTANCE; //声明成 volatile  
  3.     private Singleton (){}  
  4.   
  5.     public static Singleton getSingleton() {  
  6.         if (INSTANCE == null) {                           
  7.             synchronized (Singleton.class) {  
  8.                 if (INSTANCE == null) {         
  9.                     INSTANCE = new Singleton();  
  10.                 }  
  11.             }  
  12.         }  
  13.         return INSTANCE;  
  14.     }  
  15.   
  16. }  
使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子，取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。
但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

至此，这样的懒汉式才是没有问题的懒汉式。

内部类实现单例

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  1. public class Singleton {   
  2.     /**  
  3.      * 类级的内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例没有绑定关系，  
  4.      * 而且只有被调用到才会装载，从而实现了延迟加载  
  5.      */   
  6.     private static class SingletonHolder{   
  7.         /**  
  8.          * 静态初始化器，由JVM来保证线程安全  
  9.          */   
  10.         private static final Singleton instance = new Singleton();   
  11.     }   
  12.     /**  
  13.      * 私有化构造方法  
  14.      */   
  15.     private Singleton(){   
  16.     }   
  17.   
  18.     public static  Singleton getInstance(){   
  19.         return SingletonHolder.instance;   
  20.     }   
  21. }  

使用内部类来维护单例的实例，当Singleton被加载时，其内部类并不会被初始化，故可以确保当 Singleton类被载入JVM时，不会初始化单例类。只有 getInstance() 方法调用时，才会初始化 instance。同时，由于实例的建立是时在类加载时完成，故天生对多线程友好，getInstance() 方法也无需使用同步关键字。

Java单例模式可能是最简单也是最常用的设计模式，一个完美的单例需要做到哪些事呢？

  1. 单例（这不是废话吗）
  2. 延迟加载
  3. 线程安全
  4. 没有性能问题
  5. 防止序列化产生新对象
  6. 防止反射攻击

可以看到，真正要实现一个完美的单例是很复杂的，那么，让我这个司机带大家看一看正确姿势的单例。

最佳实践单例之枚举

没错，直接就上最佳实践，就是这么任性

这货长这样：

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在CODE上查看代码片派生到我的代码片
  1. public enum Singleton{  
  2.     INSTANCE;  
  3. }  

如果你不熟悉枚举，可能会说：这货是啥？！

这种方式的好处是：

  1. 利用的枚举的特性实现单例
  2. 由JVM保证线程安全
  3. 序列化和反射攻击已经被枚举解决

调用方式为Singleton.INSTANCE, 出自《Effective Java》第二版第三条: 用私有构造器或枚举类型强化Singleton属性。

关于单例最佳实践的讨论可以看Stackoverflow：what-is-an-efficient-way-to-implement-a-singleton-pattern-in-java

下面将会介绍更为常见的单例模式，但是均未处理反射攻击，如果想了解更多可以看这篇文章：如何防止单例模式被JAVA反射攻击

最简单的单例之饿汉式

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在CODE上查看代码片派生到我的代码片
  1. public class Singleton {  
  2.     private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
  3.     // 私有化构造函数  
  4.     private Singleton(){}  
  5.   
  6.     public static Singleton getInstance(){  
  7.         return INSTANCE;  
  8.     }  
  9. }  

这种单例的写法最简单，但是缺点是一旦类被加载，单例就会初始化，没有实现懒加载。而且当实现了Serializable接口后，反序列化时单例会被破坏。

实现Serializable接口需要重写readResolve，才能保证其反序列化依旧是单例：

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在CODE上查看代码片派生到我的代码片
  1. public class Singleton implements Serializable {  
  2.     private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
  3.     // 私有化构造函数  
  4.     private Singleton(){}  
  5.   
  6.     public static Singleton getInstance(){  
  7.         return INSTANCE;  
  8.     }  
  9.   
  10.     /** 
  11.      * 如果实现了Serializable, 必须重写这个方法 
  12.      */  
  13.     private Object readResolve() throws ObjectStreamException {  
  14.         return INSTANCE;  
  15.     }  
  16. }  

OK，反序列化要注意的就是这一点，下面的内容中就不再复述了。

最体现技术的单例之懒汉式

懒汉式即实现延迟加载的单例，为上述饿汉式的优化形式。而因其仍需要进一步优化，往往成为面试考点，让我们一起来看看坑爹的“懒汉式”

懒汉式的最初形式是这样的：

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在CODE上查看代码片派生到我的代码片
  1. public class Singleton {  
  2.     private static Singleton INSTANCE;  
  3.     private Singleton (){}  
  4.   
  5.     public static Singleton getInstance() {  
  6.      if (INSTANCE == null) {  
  7.          INSTANCE = new Singleton();  
  8.      }  
  9.      return INSTANCE;  
  10.     }  
  11. }  

这种写法就轻松实现了单例的懒加载，只有调用了getInstance方法才会初始化。但是这样的写法出现了新的问题--线程不安全。当多个线程调用getInstance方法时，可能会创建多个实例，因此需要对其进行同步。

如何使其线程安全呢？简单，加个synchronized关键字就行了

[java] view plain copy
 
在CODE上查看代码片派生到我的代码片
  1. public static synchronized Singleton getInstance() {  
  2.     if (INSTANCE == null) {  
  3.         INSTANCE = new Singleton();  
  4.     }  
  5.     return INSTANCE;  
  6. }  

可是...这样又出现了性能问题，简单粗暴的同步整个方法，导致同一时间内只有一个线程能够调用getInstance方法。

因为仅仅需要对初始化部分的代码进行同步，所以再次进行优化：

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在CODE上查看代码片派生到我的代码片
  1. public static Singleton getSingleton() {  
  2.     if (INSTANCE == null) {               // 第一次检查  
  3.         synchronized (Singleton.class) {  
  4.             if (INSTANCE == null) {      // 第二次检查  
  5.                 INSTANCE = new Singleton();  
  6.             }  
  7.         }  
  8.     }  
  9.     return INSTANCE ;  
  10. }  

执行两次检测很有必要：当多线程调用时，如果多个线程同时执行完了第一次检查，其中一个进入同步代码块创建了实例，后面的线程因第二次检测不会创建新实例。

这段代码看起来很完美，但仍旧存在问题，以下内容引用自黑桃夹克大神的如何正确地写出单例模式

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于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。

  1. 给 instance 分配内存
  2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
  3. 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）

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。

我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

[java] view plain copy
 
在CODE上查看代码片派生到我的代码片
  1. public class Singleton {  
  2.     private volatile static Singleton INSTANCE; //声明成 volatile  
  3.     private Singleton (){}  
  4.   
  5.     public static Singleton getSingleton() {  
  6.         if (INSTANCE == null) {                           
  7.             synchronized (Singleton.class) {  
  8.                 if (INSTANCE == null) {         
  9.                     INSTANCE = new Singleton();  
  10.                 }  
  11.             }  
  12.         }  
  13.         return INSTANCE;  
  14.     }  
  15.   
  16. }  
使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子，取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。
但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

至此，这样的懒汉式才是没有问题的懒汉式。

内部类实现单例

[java] view plain copy
 
在CODE上查看代码片派生到我的代码片
  1. public class Singleton {   
  2.     /**  
  3.      * 类级的内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例没有绑定关系，  
  4.      * 而且只有被调用到才会装载，从而实现了延迟加载  
  5.      */   
  6.     private static class SingletonHolder{   
  7.         /**  
  8.          * 静态初始化器，由JVM来保证线程安全  
  9.          */   
  10.         private static final Singleton instance = new Singleton();   
  11.     }   
  12.     /**  
  13.      * 私有化构造方法  
  14.      */   
  15.     private Singleton(){   
  16.     }   
  17.   
  18.     public static  Singleton getInstance(){   
  19.         return SingletonHolder.instance;   
  20.     }   
  21. }  

使用内部类来维护单例的实例，当Singleton被加载时，其内部类并不会被初始化，故可以确保当 Singleton类被载入JVM时，不会初始化单例类。只有 getInstance() 方法调用时，才会初始化 instance。同时，由于实例的建立是时在类加载时完成，故天生对多线程友好，getInstance() 方法也无需使用同步关键字。