JAVA设计模式（6：单例模式详解）

2021/6/25 11:27:16

编程Tag： new 实例 Java 设计模式单例 public getInstance InnerClassSingleton

本文主要是介绍JAVA设计模式（6：单例模式详解），对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

单例模式作为一种创建型模式，在日常开发中用处极广，我们先来看一一段代码：

// 构造函数
protected Calendar(TimeZone var1, Locale var2) {
        this.lenient = true;
        this.sharedZone = false;
        this.nextStamp = 2;
        this.serialVersionOnStream = 1;
        this.fields = new int[17];
        this.isSet = new boolean[17];
        this.stamp = new int[17];
        this.zone = var1;
        this.setWeekCountData(var2);
	}

// 提供 Calendar 类实例的方法
public static Calendar getInstance(){
        return createCalendar(TimeZone.getDefault(), Locale.getDefault(Locale.Category.FORMAT));
	}

看过上一篇博客Java设计模式（5：工厂模式详解）的朋友应该熟悉这段来自JDK中Calendar类的代码，这就是单例模式的一种实现：

Calendar类的构造函数被protected修饰，保证其不能被其他包下的类访问。
getInstance()方法提供了获得Calendar类实例化对象的方法。

从上述代码来看，我们可以认定实现单例模式需要满足两个基本原则：

类的构造函数私有化。
该类需要提供一个获得实例的全局访问点。

所以可以得出结论：单例模式是指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并提供一个全局的访问点。

得出结论后，再来看看实现。在java语言当中，两种方式构建单例模式：饿汉式单例和懒汉式单例。

一、饿汉式单例

// 饿汉式单例
public class HungrySingleton {
    // 构造函数私有化
    private HungrySingleton() {}

    private static final HungrySingleton singleton = new HungrySingleton();

    // 提供一个全局的访问点
    public static HungrySingleton getInstance(){
        return singleton;
    }
}

饿汉式单例是在类加载的时候就立即初始化，并且创建了单例对象。在上述代码中，当HungrySingleton类在被类加载器加载时，它的实例对象singleton就已经创建完成了；并且根据类的加载机制，我们明白：singleton作为HungrySingleton类中的一个静态的声明对象，在HungrySingleton类第一次被类加载器加载时就已经创建完成，并且只会创建这一次。这就保证了无论getInstance()方法被调用多少次，返回的都是同一个singleton实例；保证了线程的绝对安全，不会出现访问安全的问题。

但也正式因为singleton实例在HungrySingleton类第一次被类加载器加载时就已经创建完成，若getInstance()方法不被任何地方调用，那么singleton实例就会一直占着内存空间，白白浪费了资源。所以引申出了另一种构建单例模式的方式：懒汉式单例

二、懒汉式单例

懒汉式单例的特点是只有在类的全局访问点被访问的时候，类的实例化对象才会创建。

// 懒汉式单例
public class LazySingleton {

    // 构造函数私有化
    private LazySingleton() {}

    private static LazySingleton lazySingleton = null;

    // 全局访问点
    public  static LazySingleton getInstance(){
        if (lazySingleton == null){
            lazySingleton = new LazySingleton();
        }
        return lazySingleton;
    }
}

在上述代码中，只有当getInstance()方法被调用时，才会去创建lazySingleton实例。这样就解决了饿汉式模式中的资源占用问题，但同样引申出了另一个问题：线程安全问题。

我们先来创建一个属于我们自己的线程类LazyThread：

// 线程
public class LazyThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
        // 打印 线程名字 和 instance实例的内存地址
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +instance);
    }
}

调用：

//  创建两个线程
public static void main(String[] args) {
    Thread thread1 = new Thread(new LazyThread());
    Thread thread2 = new Thread(new LazyThread());
    thread1.start();
    thread2.start();
}

我们采用debug模式调试一下，先和下图一般，在LazySingleton类中打一个断点。

再用鼠标右键点击断点的位置（红色圆点的位置），打开如下图的框之后，先选择红框中的Thread模式，再点击蓝框中的Done按钮。

做完上述的操作之后，我们来用debug模式运行一下main方法

上图红框中内容就是我们所创建的两个线程，目前是Thread-0线程在运行。我们将Thread-0线程运行到lazySingleton = new LazySingleton()这行代码的位置（图1），然后切换为Thread-1线程，并将Thread-1线程同样运行到此位置（图2）：

图1：

图2：

最后：切换回Thread-0线程，并全部放开，让代码一直运行下去；并对Thread-1做出同样的操作。打印出结果：

通过结果可以看出，两个线程获得的lazySingleton实例所对应的内存地址不相同，显然不符合单例模式中的只有一个实例的原则。

那有什么办法可以保证懒汉式模式在线程环境下安全呢？有，而且很简单，加锁。我们来给getInstance()方法加上锁：

// 懒汉式
public class LazySingleton {

    // 私有化构造函数
    private LazySingleton() {}

    private static LazySingleton lazySingleton = null;

    // 加锁
    public synchronized static LazySingleton getInstance(){
        if (lazySingleton == null){
            lazySingleton = new LazySingleton();
        }
        return lazySingleton;
    }
}

我们再用上述的方式来debug调试一下：

在线程Thread-1进入getInstance()方法内部的时候，线程Thread-0处于MONITOR锁监控的状态。将线程Thread-1运行完后，Thread-0进入getInstance()方法内部，状态更新为RUNNING运行状态。

而此时我们可以看出lazySingleton已经有值了，所以我们将线程Thread-0运行完后，两个线程会打印出一样的结果：

由结果我们可以看出，在给getInstance()方法加上锁之后，线程安全的问题便解决了。但依然可以继续来优化这段懒汉式单例模式的代码。

// 懒汉式
public class LazySingleton {

    // 私有化构造函数
    private LazySingleton() {}

    // volatile 关键字 解决重排序的问题
    private volatile static LazySingleton lazySingleton = null;

    public static LazySingleton getInstance(){
        if (lazySingleton == null){
            // 锁代码块
            synchronized (LazySingleton.class) {
                if (lazySingleton == null){
                    lazySingleton = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return lazySingleton;
    }
}

这种方式被称为双重检查锁，它有着以下两点的好处：

线程由基于LazySingleton整个类的阻塞变为在getInstance()方法内部的阻塞。锁的颗粒度变得更细，锁的代码块变得更小了。
第一重的if判断，直接分流了一部分在lazySingleton实例化后在进入getInstance()方法的线程，提高了效率。

但是，只要涉及到加锁的问题，对程序的性能或多或少都有影响，那么有没有不加锁的方式呢？当然也是有的，那就是以类的初始化角度来考虑，使用内部类的方式。

三、静态内部类实现单例模式

// 懒汉式模式 和 饿汉式模式 兼顾
public class InnerClassSingleton {

    // 私有化构造函数
    private InnerClassSingleton(){}

    public static InnerClassSingleton getInstance(){
        return SingletonHolder.singleton;
    }

    // 静态内部类
    private static class SingletonHolder{
        private static final InnerClassSingleton singleton = new InnerClassSingleton();
    }
}

这种方式兼顾了懒汉式模式和饿汉式模式，根据类的加载机制来说，静态内部类SingletonHolder不会随着外部类InnerClassSingleton的加载而加载，只会在被调用时才会加载。

这里外部类InnerClassSingleton在被类加载器加载后，并不会去进一步加载SingletonHolder类，从而也不会去实例化singleton，也就避免了资源浪费的情况。而在getInstance()方法第一次被调用时，内部类SingletonHolder才会加载，SingletonHolder类中声明的静态对象singleton才会被实例化；后面每一次调用getInstance()方法时，返回的都是此singleton对象，保证了只有一个实例化对象的原则。

四、用反射的方式来破坏单例

讲完单例模式的几种实现方式之后，我们来讲一讲破坏单例的方式；虽然日常开发中不会怎么用到，但对面试来说，可以说是一个必考点。多了解了解，总会有意想不到的用处。

public static void main(String[] args) {
    try {
        // 用反射获得  InnerClassSingleton 类的实例
        Class clazz = InnerClassSingleton.class;
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
        // 强制访问
        constructor.setAccessible(true);
        InnerClassSingleton instance1 = (InnerClassSingleton)constructor.newInstance();
        
        // 单例模式获取
        InnerClassSingleton instance2 = InnerClassSingleton.getInstance();
        
        System.out.println("利用反射得到的实例对象："+instance1);
        System.out.println("单例模式的实例对象："+instance2);
    }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }
}

上述的测试代码，我分别用反射的方式和单例的方式来获得InnerClassSingleton类的实例，最后打印出来，看一看结果：

可以看出，两次创建的InnerClassSingleton类的实例又不相同了。那怎么杜绝这种办法呢？我们可以来优化一下上述的静态内部类的代码：

// 懒汉式模式 和 饿汉式模式 兼顾
public class InnerClassSingleton {

    // 私有化构造函数
    private InnerClassSingleton(){
        if (SingletonHolder.singleton != null){
            throw new RuntimeException("不能以这种方式来获得实例对象......");
        }
    }

    public static InnerClassSingleton getInstance(){
        return SingletonHolder.singleton;
    }

    // 静态内部类
    private static class SingletonHolder{
        private static final InnerClassSingleton singleton = new InnerClassSingleton();
    }
}

主要看私有构造函数中的代码，我们将这里做了限制，当被外界调用时，直接抛出异常！测试的结果也如我们所愿：

五、用序列化的方式破坏单例

除了反射之外，用序列化的方式也能破坏单例，达到创建不一样的类的实例的效果。

先将InnerClassSingleton类实现序列化接口：

// 懒汉式模式 和 饿汉式模式 兼顾
public class InnerClassSingleton implements Serializable {
	// .......   中间的代码查看上面的代码
}

编写测试代码：

public static void main(String[] args) {
    try {
        InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();

        FileOutputStream fos  = new FileOutputStream("singleton.obj");
        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(fos);
        objectOutputStream.writeObject(instance1);
        objectOutputStream.flush();
        objectOutputStream.close();
        fos.close();

        FileInputStream fis = new FileInputStream("singleton.obj");
        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(fis);
        InnerClassSingleton instance2 = (InnerClassSingleton)objectInputStream.readObject();
        objectInputStream.close();
        fis.close();

        System.out.println("利用单例获得实例："+instance1);
        System.out.println("利用序列化获取的实例："+instance2);
    }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }
}

在上面的代码中，我们先获得InnerClassSingleton类的实例instance1，再将instance1写入singleton.obj文件当中；然后再从中取出来，转化为实例instance2；最后将instance1和instance2打印出来：

可以看出，两次创建的InnerClassSingleton类的实例又不相同了。那么这种方式的解决方案是什么呢？也不难，只需要加上一个方法就好了：

public class InnerClassSingleton implements Serializable {
    // .......  代码省略
    // 加上 readResolve() 方法
    private Object readResolve(){
        return SingletonHolder.singleton;
    }
    
    // 静态内部类
    private static class SingletonHolder{
        private static final InnerClassSingleton singleton = new InnerClassSingleton();
    }
}

再加上readResolve()之后，再来测试一下：

可以看出，两次创建的实例完全相同，完美的解决了序列化的问题。那么为什么加上readResolve()就会解决这个问题呢？这里和JDK的源码有关，我这里就不贴源码了，不便于观看，我这里画了一个时序图，大家可以跟着这个时序图来对照JDK源码进行查看，了解内情。

1、先从编写的测试代码里面进入ObjectInputStream类中的readObject()方法

2、实序图

以实序图来看，其实方法内部还是创建了一次InnerClassSingleton类的实例，不过是后面用调用readResolve()方法获得的InnerClassSingleton类的实例将它替换掉了，所以打印出的结果依旧是相同的。总体来说，还是白白消耗了内存，那么再来看另一种创建单例的方式。

六、注册式单例

注册式单例又被称为登记式单例，大体分为枚举登记和容器缓存两种。

6.1 枚举登记

public enum  EnumSingleton {

    INSTANCE;

    // 用来测试对象是否相同
    private Object data;

    public Object getData() {
        return data;
    }

    public void setData(Object data) {
        this.data = data;
    }

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

6.1.1 序列化破坏

将上面的测试代码稍微更改一下：

public static void main(String[] args) {
    try {
        EnumSingleton instance1 = EnumSingleton.getInstance();

        instance1.setData(new Object());
        // .......   查看 五、用序列化的方式破坏单例 的测试代码
        EnumSingleton instance2 = (EnumSingleton)objectInputStream.readObject();
        objectInputStream.close();
        fis.close();

        System.out.println("利用单例获得实例："+instance1.getData());
        System.out.println("利用序列化获取的实例："+instance2.getData());
    }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }
}

结果：

由结果可以看出是可行的，那么原理是什么呢？通过上述实序图的方式查看源码：

1、ObjectInputStream类中的readObject0()方法：

private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
    // ......  省略代码
    // 如果是枚举类
    case TC_ENUM:
                    return checkResolve(readEnum(unshared));
    
    // ......
}

2、readEnum()方法

private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException {
    // ......
    if (cl != null) {
            try {
                //  通过Class对象 c1 和 类名 name 来获得唯一的枚举对象
                @SuppressWarnings("unchecked")
                Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name);
                result = en;
            } catch (IllegalArgumentException ex) {
                throw (IOException) new InvalidObjectException(
                    "enum constant " + name + " does not exist in " +
                    cl).initCause(ex);
            }
            if (!unshared) {
                handles.setObject(enumHandle, result);
            }
        }
    // ......
}

通过查看源码发现，枚举类型其实通过Class 对象类和类名找到一个唯一的枚举对象；因此，枚举对象不可能被类加载器加载多次。

6.1.2 反射破坏

测试代码：

public static void main(String[] args) {
    try {
        Class clazz = EnumSingleton.class;
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
        // 强制访问
        constructor.setAccessible(true);
        EnumSingleton instance1 = (EnumSingleton)constructor.newInstance();
        EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
        System.out.println("利用反射得到的实例对象："+instance1);
        System.out.println("单例模式的实例对象："+instance2);
    }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }
}

结果：

它竟然报出java.lang.NoSuchMethodException，意思是没有找到对应的无参的构造函数，这是为什么呢？不急，让我们将EnumSingleton.class这个文件反编译一下（这里使用的是jad反编译工具，不会的同学去网上搜教程，这里不详细讲解了），得到一个EnumSingleton.jad文件，打开文件后发现这么一段代码：

// .....
private EnumSingleton(String s, int i){
        super(s, i);
    }

// .....
static {
        INSTANCE = new EnumSingleton("INSTANCE", 0);
        $VALUES = (new EnumSingleton[] {
            INSTANCE
        });
    }

原来jvm在编译EnumSingleton枚举类时，给它创建了一个有参的构造函数，并再静态代码块里面实例化了INSTANCE对象。那这里，我们再将测试代码修改一下，强制传入两个参数会怎么样：

public static void main(String[] args) {
    try {
        Class clazz = EnumSingleton.class;
        // 设置两个参数的类型
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
        // 强制访问
        constructor.setAccessible(true);
        // 传入两个参数
        EnumSingleton instance1 = (EnumSingleton)constructor.newInstance("test",111);
        EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
        System.out.println("利用反射得到的实例对象："+instance1);
        System.out.println("单例模式的实例对象："+instance2);
    }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }
}

结果：

还是报错，不过这次的错误换成了Cannot reflectively create enum objects，不允许创建枚举类的对象。我们来看看JDK的源码：

从constructor.newInstance("test",111)这行代码进入Constructor类中的newInstance()方法我们发现，这里有个判断，如果是对枚举类进行操作，那么直接报出错误；这么看来，是JDK源码帮助我们去拦截了来自反射技术的破坏，那么就可以放宽心了。

6.2 容器缓存

容器缓存最经典的例子就是Spring框架中的IOC容器，我们来模拟一下：

// 容器缓存
public class ContainerSingleton {

    // 私有化构造函数
    private ContainerSingleton(){}

    private static Map<String,Object> iocMap = new ConcurrentHashMap<>();

    // 传入 类名参数
    public static Object getBean(String className){
        if (className == null || "".equals(className)){
            return null;
        }
        synchronized (iocMap){
            // 判断容器中是否有该属性
            if (!iocMap.containsKey(className)){
                Object object = null;
                try {
                    object = Class.forName(className).newInstance();
                    iocMap.put(className,object);
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                return object;
            } else {
                return iocMap.get(className);
            }
        }
    }
}

iocMap中的key存的是类名，value存的是该类的实例化对象，通过这种方式来保证每次获得的都是一个类的相同实例。

七、ThreadLocal线程单例

以ThreadLocal方式创建的单例对象是最为特殊的，因为它是一个伪单例，它只能保证同一个线程内创建的类的实例是相同的，有着天生的线程安全；但不能保证创建的类的实例是全局唯一的；先来看看代码：

public class ThreadLocalSingleton {

    public ThreadLocalSingleton() {}

    private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocal = new ThreadLocal(){
        @Override
        protected Object initialValue() {
            return new ThreadLocalSingleton();
        }
    };

    public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
        return threadLocal.get();
    }
}

线程代码：

public class LazyThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        ThreadLocalSingleton instance = ThreadLocalSingleton.getInstance();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +instance);
    }
}

测试代码：

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
    System.out.println("————————————————————————————————————————");
    Thread thread1 = new Thread(new LazyThread());
    Thread thread2 = new Thread(new LazyThread());
    thread1.start();
    thread2.start();
}

结果：

从结果可以看出，再主线程main中，无论我们调用多少次getInstance()方法，获得的ThreadLocalSingleton的实例都是相同的。而两个子线程Thread-0和Thread-1都获得了不同的实例。那么这是怎么做到了呢？

通过查看源码（别问我为啥不贴源码，问就是看不到，它的底层不是用Java写的【流泪】，感兴趣的小伙伴可以百度，有大神，我也是百度的，yyds！！！）我们发现，ThreadLocal将ThreadLocalSingleton类的实例对象全部放在了ThreadLocalMap中，为每一个线程提供了对象，实际上是以空间换时间来实现线程隔离的。这也使ThreadLocal技术频繁的使用了于用户登陆时，存储用户的登录信息方面。甚至于Mybatis中多个数据源切换的技术也是用它实现的。

最后

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