Java 单例模式

原文：Java 单例模式的 7 种写法中，为何用 Enum 枚举实现被认为是最好的方式？

1、懒汉（线程不安全）

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}  // 私有构造函数
 
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
  1. 懒加载：是
  2. 线程安全：否
  3. 说明：多线程时禁止使用。

2、懒汉（线程安全）

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
  1. 懒加载：是
  2. 线程安全：是
  3. 说明：使用同步方法保证线程安全，但效率太低。在创建对象之后，不应该限制多线程读取 instance。不推荐用来解决线程安全问题。

3、懒汉（双重校验锁）

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 注意此处还得有次判空
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}
  1. 懒加载：是
  2. 线程安全：是
  3. 说明：使用 volatile 修饰变量保证可见性。这个是第二种方式的升级版。既保证了效率，又保证了安全，代码相比之下较复杂。相比于第二种方式，它的思路是使得对象创建好后，直接返回，不再给线程加锁（通过第一次非空判断实现）。synchronized 代码块内部之所以需要加非空判断，是因为多线程竞争时，可能有多个线程被阻塞，此时只需要第一个进入 synchronized 代码块内部的线程完成对象创建，其他线程即可直接获取，不用重复创建。

4、饿汉

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}
  1. 懒加载：否
  2. 线程安全：是
  3. 说明：在类加载的时候创建对象。

5、饿汉（变种）

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    static {
      instance = new Singleton();
    }
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}
  1. 懒加载：否
  2. 线程安全：是
  3. 说明：和上面差不多，都是在类加载的时候创建对象。

6、静态内部类

public class Singleton {
    // 静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton() {}
 
    public static final Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}
  1. 懒加载：是
  2. 线程安全：是
  3. 说明：注意这种方式和上面两种方式的不同。方式 3、4 都没有懒加载效果。而这种方式Singleton类被装载了，instance不会被立马初始化，因为SingletonHolder类没有被主动使用，只有通过显式调用getInstance方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，达到了懒加载的效果。

7、枚举

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod() {
    }
}
  1. 懒加载：是
  2. 线程安全：是
  3. 说明：使用枚举方式实现，这种方式是Effective Java作者Josh Bloch提倡的方式，它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。这是实现单例模式的最佳方法，不过这种实现方式还没有被广泛采用。

为何枚举方式是最好的单例实现方式？

前几种方式实现单例都有如下 3 个特点：

  1. 构造方法私有化
  2. 实例化的变量引用私有化
  3. 获取实例的方法共有

这类实现方式的问题就在第一点：私有化构造器并不保险。因为它抵御不了反射攻击。

以大家最为常用的饿汉式为例，下面使用反射创建多个实例

public class Singleton implements Serializable {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}
 
public class Main {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Singleton s = Singleton.getInstance();
 
        // 拿到所有的构造函数，包括非 public 的
        Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true);
        // 使用空构造函数 new 一个实例。即使它是 private 的
        Singleton sReflection = constructor.newInstance();
 
        System.out.println(s); //com.fsx.bean.Singleton@1f32e575
        System.out.println(sReflection); //com.fsx.bean.Singleton@279f2327
        System.out.println(s == sReflection); // false
    }
 
}

运行输出：

com.fsx.bean.Singleton@1f32e575
com.fsx.bean.Singleton@279f2327
false

通过反射，竟然给所谓的单例创建出了一个新的实例对象。所以这种方式也还是存在不安全因素的。怎么解决？其实Joshua Bloch说了：可以在构造函数在被第二次调用的时候抛出异常。具体示例代码，可以参考枚举实现的源码。

再看看它的序列化、反序列时会不会有问题。如下：

注意：JDK 的序列化、反序列化底层并不是反射。

public class Main {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Singleton s = Singleton.getInstance();
 
        byte[] serialize = SerializationUtils.serialize(s);
        Object deserialize = SerializationUtils.deserialize(serialize);
 
        System.out.println(s);
        System.out.println(deserialize);
        System.out.println(s == deserialize);
    }
 
}

运行结果：

com.fsx.bean.Singleton@452b3a41
com.fsx.bean.Singleton@6193b845
false

可以看出，序列化前后两个对象并不相等。所以它序列化也是不安全的。

那么枚举呢？

使用枚举实现单例极其的简单：

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod() {
    }
}

首先看看是否防御反射攻击：

public class Main {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        EnumSingleton s = EnumSingleton.INSTANCE;
 
        // 拿到所有的构造函数，包括非 public 的
        Constructor<EnumSingleton> constructor = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true);
        // 使用空构造函数 new 一个实例。即使它是 private 的
        EnumSingleton sReflection = constructor.newInstance();
 
        System.out.println(s);
        System.out.println(sReflection);
        System.out.println(s == sReflection);
    }
 
}

结果运行就报错：

Exception in thread "main" java.lang.NoSuchMethodException: com.fsx.bean.EnumSingleton.<init>()
    at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:3082)
    at java.lang.Class.getDeclaredConstructor(Class.java:2178)
    at com.fsx.maintest.Main.main(Main.java:19)

这个看起来是因为没有空的构造函数导致的，还并不能说明防御了反射攻击。那它有什么构造函数呢，可以看它的父类 Enum 类：

// @since 1.5  它是所有 Enum 类的父类，是个抽象类
public abstract class Enum<E extends Enum<E>> implements Comparable<E>, Serializable {
    // 这是它的唯一构造函数，接收两个参数
    protected Enum(String name, int ordinal) {
        this.name = name;
        this.ordinal = ordinal;
    }
    ...
}

既然它有这个构造函数，那我们就先拿到这个构造函数再创建对象试试：

public class Main {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        EnumSingleton s = EnumSingleton.INSTANCE;
 
        // 拿到所有的构造函数，包括非 public 的
        Constructor<EnumSingleton> constructor = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);// 拿到有参的构造器
        constructor.setAccessible(true);
        // 使用空构造函数 new 一个实例。即使它是 private 的
        System.out.println("拿到了构造器：" + constructor);
        EnumSingleton sReflection = constructor.newInstance("testInstance", 1);
 
        System.out.println(s);
        System.out.println(sReflection);
        System.out.println(s == sReflection);
    }
 
}

运行打印：

拿到了构造器：private com.fsx.bean.EnumSingleton(java.lang.String,int)
Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
    at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417)
    at com.fsx.maintest.Main.main(Main.java:22)

第一句输出了，表示我们是成功拿到了构造器Constructor对象的，只是在执行newInstance时候报错了。并且也提示报错在Constructor的 417 行，看看Constructor的源码处：

public final class Constructor<T> extends Executable {
    ...
    public T newInstance(Object ... initargs) throws InstantiationException, IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
        ...
        if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
            throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
        ...
    }
    ...
}

主要是这一句：(clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0。说明：反射在通过 newInstance 创建对象时，会检查该类是否 ENUM 修饰，如果是则抛出异常，反射失败，因此枚举类型对反射是绝对安全的。

那么，枚举对序列化、反序列化是否安全？

public class Main {
 
    public static void main(String[] args) {
        EnumSingleton s = EnumSingleton.INSTANCE;
 
        byte[] serialize = SerializationUtils.serialize(s);
        Object deserialize = SerializationUtils.deserialize(serialize);
        System.out.println(s == deserialize); //true
    }
 
}

结果是：true。因此：枚举类型对序列化、反序列也是安全的。

综上，可以得出结论：枚举是实现单例模式的最佳实践。毕竟使用它全都是优点：

  1. 线程安全
  2. 反射安全
  3. 序列化 / 反序列化安全
  4. 写法简单

ref: 单例模式 | 菜鸟教程

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