设计模式-单例模式

单例模式作为面试题经常会被问道，以前被问到 回家后看了一些知识，还不是很懂，今天看到一篇文章写的很详细，因此记录下

目的：使得类的一个对象成为系统中的唯一实例
应用场景：一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID(序号)生成器。如在Windows中就只能打开一个任务管理器。如果不使用机制对窗口对象进行唯一化，将弹出多个窗口，如果这些窗口显示的内容完全一致，则是重复对象，浪费内存资源；如果这些窗口显示的内容不一致，则意味着在某一瞬间系统有多个状态，与实际不符，也会给用户带来误解，不知道哪一个才是真实的状态。

单例模式第一版

public class Singleton {    private Singleton() {}  //私有构造函数    private static Singleton instance = null;  //单例对象    //静态工厂方法    public static Singleton getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new Singleton();        }        return instance;    }}

为什么这样写呢？我们来解释几个关键点：

1.要想让一个类只能构建一个对象，自然不能让它随便去做new操作，因此Signleton的构造方法是私有的。

2.instance是Singleton类的静态成员，也是我们的单例对象。它的初始值可以写成Null，也可以写成new Singleton()。至于其中的区别后来会做解释。

3.getInstance是获取单例对象的方法。
如果单例初始值是null，还未构建，则构建单例对象并返回。这个写法属于单例模式当中的懒汉模式。

如果单例对象一开始就被new Singleton()主动构建，则不再需要判空操作，这种写法属于饿汉模式。

这两个名字很形象：饿汉主动找食物吃，懒汉躺在地上等着人喂。

问题：线程不安全

为什么说刚才的代码不是线程安全呢？
假设Singleton类刚刚被初始化，instance对象还是空，这时候两个线程同时访问getInstance方法：

因为Instance是空，所以两个线程同时通过了条件判断，开始执行new操作：

这样一来，显然instance被构建了两次。让我们对代码做一下修改：

单例模式第二版

public class Singleton {    private Singleton() {}  //私有构造函数   private static Singleton instance = null;  //单例对象   //静态工厂方法   public static Singleton getInstance() {        if (instance == null) {      //双重检测机制         synchronized (Singleton.class){  //同步锁           if (instance == null) {     //双重检测机制             instance = new Singleton();               }            }         }        return instance;    }}

为什么这样写呢？我们来解释几个关键点：

1.为了防止new Singleton被执行多次，因此在new操作之前加上Synchronized 同步锁，锁住整个类（注意，这里不能使用对象锁）。

2.进入Synchronized 临界区以后，还要再做一次判空。因为当两个线程同时访问的时候，线程A构建完对象，线程B也已经通过了最初的判空验证，不做第二次判空的话，线程B还是会再次构建instance对象。

像这样两次判空的机制叫做双重检测机制。

指令重排问题

假设这样的场景，当两个线程一先一后访问getInstance方法的时候，当A线程正在构建对象，B线程刚刚进入方法：

这种情况表面看似没什么问题，要么Instance还没被线程A构建，线程B执行 if（instance == null）的时候得到true；要么Instance已经被线程A构建完成，线程B执行 if（instance == null）的时候得到false。

真的如此吗？答案是否定的。这里涉及到了JVM编译器的指令重排。
指令重排是什么意思呢？比如java中简单的一句 instance = new Singleton，会被编译器编译成如下JVM指令：

memory =allocate();    //1：分配对象的内存空间 ctorInstance(memory);  //2：初始化对象 instance =memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址 

但是这些指令顺序并非一成不变，有可能会经过JVM和CPU的优化，指令重排成下面的顺序：

memory =allocate();    //1：分配对象的内存空间 instance =memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址 ctorInstance(memory);  //2：初始化对象 

也就是说初始化对象和设置instance指向刚分配的内存地址二者的顺序不是固定的

当线程A执行完1,3,时，instance对象还未完成初始化，但已经不再指向null。此时如果线程B抢占到CPU资源，执行 if（instance == null）的结果会是false，从而返回一个没有初始化完成的instance对象。如下图所示：

如何避免这一情况呢？我们需要在instance对象前面增加一个修饰符volatile。

单例模式第三版：

public class Singleton {    private Singleton() {}  //私有构造函数    private volatile static Singleton instance = null;  //单例对象    //静态工厂方法    public static Singleton getInstance() {          if (instance == null) {      //双重检测机制         synchronized (Singleton.class){  //同步锁           if (instance == null) {     //双重检测机制             instance = new Singleton();                }             }          }          return instance;      }}

volatile的作用：volatile修饰符阻止了变量访问前后的指令重排，保证了指令的执行顺序

经过volatile的修饰，当线程A执行instance = new Singleton的时候，JVM执行顺序是什么样？始终保证是下面的顺序：

memory =allocate();    //1：分配对象的内存空间 ctorInstance(memory);  //2：初始化对象 instance =memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址 

如此在线程B看来，instance对象的引用要么指向null，要么指向一个初始化完毕的Instance，而不会出现某个中间态，保证了安全。

其他实现方式

用静态内部类实现单例模式：

public class Singleton {    private static class LazyHolder {        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();    }    private Singleton (){}    public static Singleton getInstance() {        return LazyHolder.INSTANCE;    }}

这里有几个需要注意的点：

1.从外部无法访问静态内部类LazyHolder，只有当调用Singleton.getInstance方法的时候，才能得到单例对象INSTANCE。

2.INSTANCE对象初始化的时机并不是在单例类Singleton被加载的时候，而是在调用getInstance方法，使得静态内部类LazyHolder被加载的时候。因此这种实现方式是利用classloader的加载机制来实现懒加载，并保证构建单例的线程安全。

单例模式共同的问题

问题：无法防止利用反射 来重新构建对象

利用反射打破单例：

//获得构造器Constructor con = Singleton.class.getDeclaredConstructor();//设置为可访问con.setAccessible(true);//构造两个不同的对象Singleton singleton1 = (Singleton)con.newInstance();Singleton singleton2 = (Singleton)con.newInstance();//验证是否是不同对象System.out.println(singleton1.equals(singleton2));

代码可以简单归纳为三个步骤：

第一步，获得单例类的构造器。

第二步，把构造器设置为可访问。

第三步，使用newInstance方法构造对象。

最后为了确认这两个对象是否真的是不同的对象，我们使用equals方法进行比较。毫无疑问，比较结果是false。

阻止反射的构建方式—-枚举

用枚举实现单例模式

public enum SingletonEnum {    INSTANCE;}

有了enum语法糖，JVM会阻止反射获取枚举的私有构造方法

测试，执行刚才的代码

//获得构造器Constructor con = SingletonEnum.class.getDeclaredConstructor();//设置为可访问con.setAccessible(true);//构造两个不同的对象SingletonEnum singleton1 = (SingletonEnum)con.newInstance();SingletonEnum singleton2 = (SingletonEnum)con.newInstance();//验证是否是不同对象System.out.println(singleton1.equals(singleton2));

执行获得构造器这一步的时候，抛出了如下异常：

Exception in thread "main" java.lang.NoSuchMethodException: com.xiaohui.singleton.test.SingletonEnum.<init>()    at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:2892)    at java.lang.Class.getDeclaredConstructor(Class.java:2058)    at com.xiaohui.singleton.test.SingletonTest.main(SingletonTest.java:22)    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)    at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:134)

枚举方式不仅能够防止反射构造对象，而且可以保证线程安全。唯一的不足是它并非使用懒加载，其单例对象是在枚举类被加载的时候进行初始化的。

总结：

几点补充
1. volatile关键字不但可以防止指令重排，也可以保证线程访问的变量值是主内存中的最新值。

2.使用枚举实现的单例模式，不但可以防止利用反射强行构建单例对象，而且可以在枚举类对象被反序列化的时候，保证反序列的返回结果是同一对象。

对于其他方式实现的单例模式，如果既想要做到可序列化，又想要反序列化为同一对象，则必须实现readResolve方法。

转自
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