单例模式详解

参考：

https://www.cnblogs.com/happy4java/p/11206105.html

https://blog.csdn.net/jason0539/article/details/23297037

https://blog.csdn.net/justloveyou_/article/details/64127789

https://www.cnblogs.com/xz816111/p/8470048.html

Java单例模式：为什么我强烈推荐你用枚举来实现单例模式

单例模式简介

单例模式是 Java 中最简单，也是最基础，最常用的设计模式之一。在运行期间，保证某个类只创建一个实例，保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。下面就来讲讲Java中的N种实现单例模式的写法。

饿汉式

public class Singleton {

    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

这是实现一个安全的单例模式的最简单粗暴的写法，这种实现方式我们称之为饿汉式。之所以称之为饿汉式，是因为肚子很饿了，想马上吃到东西，不想等待生产时间。这种写法，在类被加载的时候就把Singleton实例给创建出来了。

饿汉式的缺点就是，可能在还不需要此实例的时候就已经把实例创建出来了，没起到lazy loading的效果。优点就是实现简单，而且安全可靠。

懒汉式

public class Singleton {
    
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
    
}

相比饿汉式，懒汉式显得没那么“饿”，在真正需要的时候再去创建实例。在getInstance方法中，先判断实例是否为空再决定是否去创建实例，看起来似乎很完美，但是存在线程安全问题。在并发获取实例的时候，可能会存在构建了多个实例的情况。所以，需要对此代码进行下改进。

public class SingletonSafe {

    private static volatile SingletonSafe singleton;

    private SingletonSafe() {
    }

    public static SingletonSafe getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (SingletonSafe.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new SingletonSafe();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

这里采用了双重校验的方式，对懒汉式单例模式做了线程安全处理。通过加锁，可以保证同时只有一个线程走到第二个判空代码中去，这样保证了只创建一个实例。这里还用到了volatile关键字来修饰singleton，其最关键的作用是防止指令重排。

静态内部类

public class Singleton {

    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }

    private Singleton() {
        
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

通过静态内部类的方式实现单例模式是线程安全的，同时静态内部类不会在Singleton类加载时就加载，而是在调用getInstance()方法时才进行加载，达到了懒加载的效果。

似乎静态内部类看起来已经是最完美的方法了，其实不是，可能还存在反射攻击或者反序列化攻击。且看如下代码：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Singleton singleton = Singleton.getInstance();
    Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Singleton newSingleton = constructor.newInstance();
    System.out.println(singleton == newSingleton);
}

运行结果：

通过结果看，这两个实例不是同一个，这就违背了单例模式的原则了。

除了反射攻击之外，还可能存在反序列化攻击的情况。如下：

引入依赖：

<dependency>
    <groupId>org.apache.commons</groupId>
    <artifactId>commons-lang3</artifactId>
    <version>3.8.1</version>
</dependency>

这个依赖提供了序列化和反序列化工具类。

Singleton类实现java.io.Serializable接口。

如下：

public class Singleton implements Serializable {

    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }

    private Singleton() {

    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        byte[] serialize = SerializationUtils.serialize(instance);
        Singleton newInstance = SerializationUtils.deserialize(serialize);
        System.out.println(instance == newInstance);
    }

}

运行结果：

通过枚举实现单例模式

在effective java（这本书真的很棒）中说道，最佳的单例实现模式就是枚举模式。利用枚举的特性，让JVM来帮我们保证线程安全和单一实例的问题。除此之外，写法还特别简单。

public enum Singleton {

    INSTANCE;

    public void doSomething() {
        System.out.println("doSomething");
    }

}

调用方法：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton.INSTANCE.doSomething();
    }

}

直接通过Singleton.INSTANCE.doSomething()的方式调用即可。方便、简洁又安全。

总结

以上列举了多种单例模式的写法，分析了其利弊之处。同时还介绍了目前最佳的单例写法——枚举模式，相信在未来，枚举模式的单例写法也会越来越流行。

一般情况下，懒汉式（包含线程安全和线程不安全梁总方式）都比较少用；饿汉式和双检锁都可以使用，可根据具体情况自主选择；在要明确实现 lazy loading 效果时，可以考虑静态内部类的实现方式；若涉及到反序列化创建对象时，大家也可以尝试使用枚举方式。

Java中的双重检查锁（double checked locking）

在实现单例模式时，如果未考虑多线程的情况，就容易写出下面的错误代码：

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueSingleton;

    private Singleton() {
    }

    public Singleton getInstance() {
        if (null == uniqueSingleton) {
            uniqueSingleton = new Singleton();
        }
        return uniqueSingleton;
    }
}

在多线程的情况下，这样写可能会导致uniqueSingleton有多个实例。比如下面这种情况，考虑有两个线程同时调用getInstance()：

Time	Thread A	Thread B
T1	检查到`uniqueSingleton`为空
T2		检查到`uniqueSingleton`为空
T3		初始化对象`A`
T4		返回对象`A`
T5	初始化对象`B`
T6	返回对象`B`

可以看到，uniqueSingleton被实例化了两次并且被不同对象持有。完全违背了单例的初衷。

加锁

出现这种情况，第一反应就是加锁，如下：

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueSingleton;

    private Singleton() {
    }

    public synchronized Singleton getInstance() {
        if (null == uniqueSingleton) {
            uniqueSingleton = new Singleton();
        }
        return uniqueSingleton;
    }
}

这样虽然解决了问题，但是因为用到了synchronized，会导致很大的性能开销，并且加锁其实只需要在第一次初始化的时候用到，之后的调用都没必要再进行加锁。

双重检查锁

双重检查锁（double checked locking）是对上述问题的一种优化。先判断对象是否已经被初始化，再决定要不要加锁。

错误的双重检查锁

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueSingleton;

    private Singleton() {
    }

    public Singleton getInstance() {
        if (null == uniqueSingleton) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (null == uniqueSingleton) {
                    uniqueSingleton = new Singleton();   // error
                }
            }
        }
        return uniqueSingleton;
    }
}

如果这样写，运行顺序就成了：

检查变量是否被初始化(不去获得锁)，如果已被初始化则立即返回。
获取锁。
再次检查变量是否已经被初始化，如果还没被初始化就初始化一个对象。

执行双重检查是因为，如果多个线程同时了通过了第一次检查，并且其中一个线程首先通过了第二次检查并实例化了对象，那么剩余通过了第一次检查的线程就不会再去实例化对象。

这样，除了初始化的时候会出现加锁的情况，后续的所有调用都会避免加锁而直接返回，解决了性能消耗的问题。

隐患

上述写法看似解决了问题，但是有个很大的隐患。实例化对象的那行代码（标记为error的那行），实际上可以分解成以下三个步骤：

分配内存空间
初始化对象
将对象指向刚分配的内存空间

但是有些编译器为了性能的原因，可能会将第二步和第三步进行重排序，顺序就成了：

分配内存空间
将对象指向刚分配的内存空间
初始化对象

现在考虑重排序后，两个线程发生了以下调用：

Time	Thread A	Thread B
T1	检查到`uniqueSingleton`为空
T2	获取锁
T3	再次检查到`uniqueSingleton`为空
T4	为`uniqueSingleton`分配内存空间
T5	将`uniqueSingleton`指向内存空间
T6		检查到`uniqueSingleton`不为空
T7		访问`uniqueSingleton`（此时对象还未完成初始化）
T8	初始化`uniqueSingleton`

在这种情况下，T7时刻线程B对uniqueSingleton的访问，访问的是一个初始化未完成的对象。

正确的双重检查锁

public class Singleton {
    private volatile static Singleton uniqueSingleton;

    private Singleton() {
    }

    public Singleton getInstance() {
        if (null == uniqueSingleton) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (null == uniqueSingleton) {
                    uniqueSingleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueSingleton;
    }
}

为了解决上述问题，需要在uniqueSingleton前加入关键字volatile。使用了volatile关键字后，重排序被禁止，所有的写（write）操作都将发生在读（read）操作之前。

至此，双重检查锁就可以完美工作了。

参考资料：