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 和 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。