詳細說說單例模式

單例模式

特點：全局唯一，在整個程序中，只有一個對象。

什麼樣的類適合單例？

全局使用的類
創建和銷燬會消耗很多系統資源的類
- 數據庫連接池
- 工廠類
- 數據源

應用：

Spring的Bean默認情況下是單例
項目中，讀取配置文件的類，一般也只有一個對象。沒有必要每次使用配置文件數據，每次new一個對象去讀取。
應用程序的日誌應用，一般都何用單例模式實現，這一般是由於共享的日誌文件一直處於打開狀態，因爲只能有一個實例去操作，否則內容不好追加。
數據庫連接池的設計一般也是採用單例模式，因爲數據庫連接是一種數據庫資源。
操作系統的文件系統，也是大的單例模式實現的具體例子，一個操作系統只能有一個文件系統。
Application 也是單例的典型應用（Servlet編程中會涉及到）
在servlet編程中，每個Servlet也是單例
在spring MVC框架/struts1框架中，控制器對象也是單例

餓漢式

優點：

類一加載就創建實例，沒有延遲
線程安全

缺點：

反射和反序列化會破壞單例
如果沒有用到該類就會產生內存浪費
如果加載的資源很大，程序啓動的時候就會產生效率問題

class Singleton implements Serializable {
    private Singleton() {
    }

    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

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

反射破壞單例：

@Test
public void test() throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
    Singleton instance = Singleton.getInstance();
    Class<Singleton> clazz = Singleton.class;
    Constructor<Singleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Singleton instance1 = constructor.newInstance();
    System.out.println(instance == instance1); // false
}

反序列化破壞單例：

@Test
public void test() throws IOException, ClassNotFoundException {
    Singleton i1 = Singleton.getInstance();
    ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("./singleton.obj"));
    out.writeObject(i1);
    out.close();

    FileInputStream in = new FileInputStream("./singleton.obj");
    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(in);
    Singleton i2 = (Singleton) ois.readObject();
    System.out.println(i1);
    System.out.println(i2);
    // com.qianyu.thread.Singleton@6842775d
    // com.qianyu.thread.Singleton@1ae369b7
}

加入readResolve方法解決反序列化問題

import java.io.*;

class Singleton implements Serializable {
    private Singleton() {
    }

    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    public Object readResolve() {
        return INSTANCE;
    }
}

爲了防止反射破壞單例，我們可以在構造器中添加判斷

import java.io.*;

class Singleton implements Serializable {
    private Singleton() {
        if (INSTANCE != null) {
            throw new RuntimeException("不能通過反射創建對象");
        }
    }

    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

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

懶漢式

特點：

延時加載
線程不安全

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

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

模擬線程不安全情況：

@Test
public void test() throws InterruptedException {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        new Thread(() -> System.out.println(Singleton.getInstance())).start();
    }
    Thread.sleep(1000);
}

使用同步解決線程不安全問題

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

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

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

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

雙重檢測鎖模式

懶漢式的單例模式雖然可以使用synchronized解決線程不安全問題，但是每次獲取單例對象的時候都要執行synchronized代碼塊，造成效率低，爲了解決這個問題，提出雙重檢測鎖模式

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

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

指令重排問題

instance = new Singleton()會執行如下操作：

分配內存空間
初始化對象
instance執行（1）中分配的空間

但是在某些編譯器上，可能會發生指令重排：

分配內存空間
instance執行（1）中分配的空間（但此時對象沒有初始化）
初始化對象

這樣的話，如果多個線程同時訪問的話，有可能會出現某些對象爲空的情況。爲了防止JVM進行指令重排，我們可以加上volatile關鍵字

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

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

登記式

登記式，也可以叫做“靜態內部類”式。

首先我們要知道：

只有調用內部類的時候，內部類纔開始加載（延時加載）
非靜態內部類要依附於外部類，也就是說外部類必須創建對象才能使用非靜態內部類
靜態內部類不用外部類創建對象就可以使用

class Test {
    class Inner {
    }

    static class SInner {
    }
}

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Test.Inner inner = new Test().new Inner();
        Test.SInner s = new Test.SInner();
    }
}

登記式相對於餓漢式的好處：

可以實現延遲加載
可以通過改造，使其對反射安全

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

    // 如果使用反射調用會報錯
    private Singleton() {
        if (SingletonHolder.instance != null) {
            throw new IllegalStateException();
        }
    }

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

枚舉式

特點：

java1.5之後出現
目前推薦實現單例的最佳方式
線程安全
立即初始化
自動支持序列化，防止反序列化創建新的對象
防止反射攻擊

public enum Singleton {
    INSTANCE{
        @Override
        protected void dosomething() {
            System.out.println("Singleton.dosomething");
        }
    };

    protected abstract void dosomething();
}

反射調用構造器，會拋出異常：

@Test
public void test() throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
    Class<Singleton> clazz = Singleton.class;
    Constructor<Singleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Singleton s1 = constructor.newInstance();
    // java.lang.NoSuchMethodException: com.qianyu.thread.Singleton.<init>()
    //	 at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:3082)
    //	 at java.lang.Class.getDeclaredConstructor(Class.java:2178)
    //	 at com.qianyu.thread.Application.test(Application.java:11)
}

ThreadLocal

優點：

空間換時間
延時加載

缺點：

只能是在同一個線程中獲得的兩個對象纔是單例

代碼實現：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    private static ThreadLocal<Singleton> threadLocalSingleton = new ThreadLocal<Singleton>() {
        @Override
        protected Singleton initialValue() {
            return new Singleton();
        }
    };

    public static Singleton getInstance() {
        return threadLocalSingleton.get();
    }
}

多線程環境模擬

@Test
public void test() throws InterruptedException {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        new Thread(() -> {
            Singleton s1 = Singleton.getInstance();
            Singleton s2 = Singleton.getInstance();
            System.out.println("s2 = " + s2 + " , s1 = " + s1);

        }).start();
    }
    Thread.sleep(1000);
}

CAS

缺點：

可能會產生垃圾對象

代碼實現

import java.util.concurrent.atomic.*;

public class Singleton {
    private static final AtomicReference<Singleton> instance = new AtomicReference<>();

    private Singleton() {
    }

    public static final Singleton getInstance() {
        while (true) {
            Singleton current = instance.get();
            if (current != null) {
                return current;
            }
            current = new Singleton();
            if (instance.compareAndSet(null, current)) {
                return current;
            }
        }
    }
}

總結

單例實現要點：

私有構造器
持有該類的屬性
對外提供獲取實例的靜態方法

上述幾種單例模式的比較

餓漢式：線程安全、反射不安全、反序列化不安全、非延時加載
懶漢式：線程不安全、反射不安全、反序列化不安全、延時加載
雙重檢測鎖：線程安全、反射不安全、反序列化不安全、延時加載
登記時：線程安全、反射安全、反序列化不安全、延時加載
枚舉式：線程安全、反射安全、反序列化安全、非延時加載
ThreadLocal：不加鎖，以空間換時間，爲每個線程提供獨立副本，可以保證各自線程是單例的，但是不同線程之間不是單例的
CAS：無鎖樂觀策略，線程安全

詳細說說單例模式

單例模式

餓漢式

懶漢式

雙重檢測鎖模式

指令重排問題

登記式

枚舉式

ThreadLocal

CAS

總結

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