单例模式,真不简单

一、前言

单例模式无论在我们面试,还是日常工作中,都会面对的问题。但很多单例模式的细节,值得我们深入探索一下。
这篇文章透过单例模式,串联了多方面基础知识,非常值得一读。

1、什么是单例模式?

单例模式是一种非常常用的软件设计模式,它定义是 单例对象的类只能允许一个实例存在

该类负责创建自己的对象,同时确保只有一个对象被创建。一般常用在工具类的实现或创建对象需要消耗资源的业务场景。

单例模式的特点:

  • 类构造器私有
  • 持有自己类的引用
  • 对外提供获取实例的静态方法

我们先用一个简单示例了解一下单例模式的用法。

public class SimpleSingleton {
    //持有自己类的引用
    private static final SimpleSingleton INSTANCE = new SimpleSingleton();

    //私有的构造方法
    private SimpleSingleton() {
    }
    //对外提供获取实例的静态方法
    public static SimpleSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SimpleSingleton.getInstance().hashCode());
        System.out.println(SimpleSingleton.getInstance().hashCode());
    }
}

打印结果:

1639705018
1639705018

我们看到两次获取SimpleSingleton实例的hashCode是一样的,说明两次调用获取到的是同一个对象。

可能很多朋友平时工作当中都是这么用的,但我要说这段代码是有问题的,你会相信吗?

不信,我们一起往下看。

二、饿汉和懒汉模式

在介绍单例模式的时候,必须要先介绍它的两种非常著名的实现方式:饿汉模式懒汉模式

1、饿汉模式

实例在初始化的时候就已经建好了,不管你有没有用到,先建好了再说。具体代码如下:

public class SimpleSingleton {
    //持有自己类的引用
    private static final SimpleSingleton INSTANCE = new SimpleSingleton();

    //私有的构造方法
    private SimpleSingleton() {
    }
    //对外提供获取实例的静态方法
    public static SimpleSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

饿汉模式,其实还有一个变种:

public class SimpleSingleton {
    //持有自己类的引用
    private static final SimpleSingleton INSTANCE;
    static {
       INSTANCE = new SimpleSingleton();
    }

    //私有的构造方法
    private SimpleSingleton() {
    }
    //对外提供获取实例的静态方法
    public static SimpleSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

使用静态代码块的方式实例化INSTANCE对象。

使用饿汉模式的好处是:没有线程安全的问题,但带来的坏处也很明显。

一开始就实例化对象了,如果实例化过程非常耗时,并且最后这个对象没有被使用,不是白白造成资源浪费吗?

这个时候你也许会想到,不用提前实例化对象,在真正使用的时候再实例化不就可以了?

这就是我接下来要介绍的:懒汉模式

2、懒汉模式

顾名思义就是实例在用到的时候才去创建,“比较懒”,用的时候才去检查有没有实例,如果有则返回,没有则新建。具体代码如下:

public class SimpleSingleton2 {

    private static SimpleSingleton2 INSTANCE;

    private SimpleSingleton2() {
    }

    public static SimpleSingleton2 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new SimpleSingleton2();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

示例中的INSTANCE对象一开始是空的,在调用getInstance方法才会真正实例化。
嗯,不错不错。但这段代码还是有问题。

3、synchronized关键字

上面的代码有什么问题?

答:假如有多个线程中都调用了getInstance方法,那么都走到 if (INSTANCE == null) 判断时,可能同时成立,因为INSTANCE初始化时默认值是null。这样会导致多个线程中同时创建INSTANCE对象,即INSTANCE对象被创建了多次,违背了只创建一个INSTANCE对象的初衷。

那么,要如何改进呢?

答:最简单的办法就是使用synchronized关键字。

改进后的代码如下:

public class SimpleSingleton3 {
    private static SimpleSingleton3 INSTANCE;

    private SimpleSingleton3() {
    }

    public synchronized static SimpleSingleton3 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new SimpleSingleton3();
        }
        return INSTANCE;
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SimpleSingleton3.getInstance().hashCode());
        System.out.println(SimpleSingleton3.getInstance().hashCode());
    }
}

在getInstance方法上加synchronized关键字,保证在并发的情况下,只有一个线程能创建INSTANCE对象的实例。这样总可以了吧?

答:不好意思,还是有问题。

有什么问题?

答:使用synchronized关键字会消耗getInstance方法的性能,我们应该判断当INSTANCE为空时才加锁,如果不为空不应该加锁,需要直接返回。
这就需要使用下面要说的双重检查锁了。

4、饿汉和懒汉模式的区别

but,在介绍双重检查锁之前,先插播一个朋友们可能比较关心的话题:饿汉模式 和 懒汉模式 各有什么优缺点?

饿汉模式:优点是没有线程安全的问题,缺点是浪费内存空间。
懒汉模式:优点是没有内存空间浪费的问题,缺点是如果控制不好,实际上不是单例的。

好了,下面可以安心的看看双重检查锁,是如何保证性能的,同时又保证单例的。


三、双重检查锁

双重检查锁顾名思义会检查两次:在加锁之前检查一次是否为空,加锁之后再检查一次是否为空。

那么,它是如何实现单例的呢?

1、如何实现单例?

具体代码如下:

public class SimpleSingleton4 {

    private static SimpleSingleton4 INSTANCE;

    private SimpleSingleton4() {
    }

    public static SimpleSingleton4 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (SimpleSingleton4.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new SimpleSingleton4();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

在加锁之前判断是否为空,可以确保INSTANCE不为空的情况下,不用加锁,可以直接返回。为什么在加锁之后,还需要判断INSTANCE是否为空呢?

答:是为了防止在多线程并发的情况下,只会实例化一个对象。

比如:线程a和线程b同时调用getInstance方法,假如同时判断INSTANCE都为空,这时会同时进行抢锁。
假如线程a先抢到锁,开始执行synchronized关键字包含的代码,此时线程b处于等待状态。
线程a创建完新实例了,释放锁了,此时线程b拿到锁,进入synchronized关键字包含的代码,如果没有再判断一次INSTANCE是否为空,则可能会重复创建实例。
所以需要在synchronized前后两次判断。

不要以为这样就完了,还有问题呢?

2、volatile关键字

上面的代码还有啥问题?

public static SimpleSingleton4 getInstance() {
      if (INSTANCE == null) {//1
          synchronized (SimpleSingleton4.class) {//2
              if (INSTANCE == null) {//3
                  INSTANCE = new SimpleSingleton4();//4
              }
          }
      }
      return INSTANCE;//5
  }

getInstance方法的这段代码,我是按1、2、3、4、5这种顺序写的,希望也按这个顺序执行。

但是java虚拟机实际上会做一些优化,对一些代码指令进行重排。重排之后的顺序可能就变成了:1、3、2、4、5,这样在多线程的情况下同样会创建多次实例。重排之后的代码可能如下:

public static SimpleSingleton4 getInstance() {
    if (INSTANCE == null) {//1
       if (INSTANCE == null) {//3
           synchronized (SimpleSingleton4.class) {//2
                INSTANCE = new SimpleSingleton4();//4
            }
        }
    }
    return INSTANCE;//5
}

原来如此,那有什么办法可以解决呢?

答:可以在定义INSTANCE是加上volatile关键字。具体代码如下:

public class SimpleSingleton7 {

    private volatile static SimpleSingleton7 INSTANCE;

    private SimpleSingleton7() {
    }

    public static SimpleSingleton7 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (SimpleSingleton7.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new SimpleSingleton7();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

volatile关键字可以保证多个线程的可见性,但是不能保证原子性。同时它也能禁止指令重排。

双重检查锁的机制既保证了线程安全,又比直接上锁提高了执行效率,还节省了内存空间。

除了上面的单例模式之外,还有没有其他的单例模式?


四、静态内部类

静态内部类顾名思义是通过静态的内部类来实现单例模式的。那么,它是如何实现单例的呢?

1、如何实现单例模式?

如何实现单例模式?

public class SimpleSingleton5 {

    private SimpleSingleton5() {
    }

    public static SimpleSingleton5 getInstance() {
        return Inner.INSTANCE;
    }

    private static class Inner {
        private static final SimpleSingleton5 INSTANCE = new SimpleSingleton5();
    }
}

我们看到在SimpleSingleton5类中定义了一个静态的内部类Inner。在SimpleSingleton5类的getInstance方法中,返回的是内部类Inner的实例INSTANCE对象。

只有在程序第一次调用getInstance方法时,虚拟机才加载Inner并实例化INSTANCE对象。

java内部机制保证了,只有一个线程可以获得对象锁,其他的线程必须等待,保证对象的唯一性。

2、反射漏洞

上面的代码看似完美,但还是有漏洞。如果其他人使用反射,依然能够通过类的无参构造方式创建对象。例如:

Class<SimpleSingleton5> simpleSingleton5Class = SimpleSingleton5.class;
try {
    SimpleSingleton5 newInstance = simpleSingleton5Class.newInstance();
    System.out.println(newInstance == SimpleSingleton5.getInstance());
} catch (InstantiationException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
    e.printStackTrace();
}

上面代码打印结果是false。

由此看出,通过反射创建的对象,跟通过getInstance方法获取的对象,并非同一个对象,也就是说,这个漏洞会导致SimpleSingleton5非单例。

那么,要如何防止这个漏洞呢?

答:这就需要在无参构造方式中判断,如果非空,则抛出异常了。

改造后的代码如下:

public class SimpleSingleton5 {

    private SimpleSingleton5() {
        if(Inner.INSTANCE != null) {
           throw new RuntimeException("不能支持重复实例化");
       }
    }

    public static SimpleSingleton5 getInstance() {
        return Inner.INSTANCE;
    }

    private static class Inner {
        private static final SimpleSingleton5 INSTANCE = new SimpleSingleton5();
        }
    }

}

如果此时,你认为这种静态内部类,实现单例模式的方法,已经完美了。

那么,我要告诉你的是,你错了,还有漏洞。。。

3、反序列化漏洞

众所周知,java中的类通过实现Serializable接口,可以实现序列化。

我们可以把类的对象先保存到内存,或者某个文件当中。后面在某个时刻,再恢复成原始对象。

具体代码如下:

public class SimpleSingleton5 implements Serializable {

    private SimpleSingleton5() {
        if (Inner.INSTANCE != null) {
            throw new RuntimeException("不能支持重复实例化");
        }
    }

    public static SimpleSingleton5 getInstance() {
        return Inner.INSTANCE;
    }

    private static class Inner {
        private static final SimpleSingleton5 INSTANCE = new SimpleSingleton5();
    }

    private static void writeFile() {
        FileOutputStream fos = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        try {
            SimpleSingleton5 simpleSingleton5 = SimpleSingleton5.getInstance();
            fos = new FileOutputStream(new File("test.txt"));
            oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(simpleSingleton5);
            System.out.println(simpleSingleton5.hashCode());
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (oos != null) {
                try {
                    oos.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (fos != null) {
                try {
                    fos.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

        }
    }

    private static void readFile() {
        FileInputStream fis = null;
        ObjectInputStream ois = null;
        try {
            fis = new FileInputStream(new File("test.txt"));
            ois = new ObjectInputStream(fis);
            SimpleSingleton5 myObject = (SimpleSingleton5) ois.readObject();

            System.out.println(myObject.hashCode());
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (ois != null) {
                try {
                    ois.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (fis != null) {
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        writeFile();
        readFile();
    }
}

运行之后,发现序列化和反序列化后对象的hashCode不一样:

189568618
793589513

说明,反序列化时创建了一个新对象,打破了单例模式对象唯一性的要求。那么,如何解决这个问题呢?

答:重新readResolve方法。

在上面的实例中,增加如下代码:

private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
    return Inner.INSTANCE;
}

运行结果如下:

290658609
290658609

我们看到序列化和反序列化实例对象的hashCode相同了。

做法很简单,只需要在readResolve方法中,每次都返回唯一的Inner.INSTANCE对象即可。程序在反序列化获取对象时,会去寻找readResolve()方法。
如果该方法不存在,则直接返回新对象。如果该方法存在,则按该方法的内容返回对象。如果我们之前没有实例化单例对象,则会返回null。

好了,到这来终于把坑都踩完了。
还是费了不少劲。
不过,我偷偷告诉你一句,其实还有更简单的方法,哈哈哈。

纳尼。。。

五、枚举

其实在java中枚举就是天然的单例,每一个实例只有一个对象,这是java底层内部机制保证的。

简单的用法:

public enum  SimpleSingleton7 {
    INSTANCE;
    
    public void doSamething() {
        System.out.println("doSamething");
    }
} 

在调用的地方:

public class SimpleSingleton7Test {

    public static void main(String[] args) {
        SimpleSingleton7.INSTANCE.doSamething();
    }
}

在枚举中实例对象INSTANCE是唯一的,所以它是天然的单例模式。

当然,在枚举对象唯一性的这个特性,还能创建其他的单例对象,例如:

public enum  SimpleSingleton7 {
    INSTANCE;
    
    private Student instance;
    
    SimpleSingleton7() {
       instance = new Student();
    }
    
    public Student getInstance() {
       return instance;
    }
}

class Student {
}

jvm保证了枚举是天然的单例,并且不存在线程安全问题,此外,还支持序列化。

在java大神Joshua Bloch的经典书籍《Effective Java》中说过:

单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

参考

1、公众号 苏三说技术 的一篇文章 非常感谢。


posted on 2021-11-25 11:15  雨点的名字  阅读(614)  评论(4编辑  收藏  举报