概述
文章目录
- 一、什么是单例模式
- 二、单例模式的类型
- 1、懒汉式创建单例对象
- 2、饿汉式创建单例对象
- 三、代码优化
- 1、并发安全
- 2、并发性能
- 3、指令重排
- 四、破坏懒汉式单例与饿汉式单例
- 1、利用反射破坏单例模式
- 2、利用序列化与反序列化破坏单例模式
- 五、枚举实现
- 六、饿汉式和懒汉式区别
- 七、总结
- 八、什么是线程安全？
一、什么是单例模式
单例模式是指在内存中只会创建且仅创建一次对象的设计模式。在程序中多次使用同一个对象且作用相同时，为了防止频繁地创建对象使得内存飙升，单例模式可以让程序仅在内存中创建一个对象，让所有需要调用的地方都共享这一单例对象。
单例模式的三个要素：
- 私有构造方法
- 指向自己实例的私有静态变量
- 对外的静态公共访问方法
二、单例模式的类型
- 懒汉式：在真正需要使用对象时才去创建该单例类对象 。
- 饿汉式：在类加载时已经创建好该单例对象，等待被程序使用。（类何时加载主要由JVM决定，换句话而言和JDK版本有关，这里不做探讨）
1、懒汉式创建单例对象
原理：在程序使用对象前，先判断该对象是否已经实例化（判空），若已实例化直接返回该类对象，否则则先执行实例化操作。
public class Singleton {
private static Singleton singleton;
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
}
这个代码暂时还存在一些问题，后面进行解释优化。
2、饿汉式创建单例对象
原理：在类加载时已经创建好该对象，在程序调用时直接返回该单例对象即可，即我们在编码时就已经指明了要马上创建这个对象，不需要等到被调用时再去创建。
关于类加载，涉及到JVM的内容，我们目前可以简单认为在程序启动时，这个单例对象就已经创建好了。
public class Singleton{
private static final Singleton singleton = new Singleton();
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance() {
return singleton;
}
}
在类加载时提前声明提前声明一个静态对象在堆内存中，当类被卸载时，该对象也随之消失。
三、代码优化
1、并发安全
这里先回顾一下懒汉式的核心方法：
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
问题：
这个方法其实是存在问题的，试想一下，如果两个线程同时判断singleton为空，那么它们都会去实例化一个Singleton对象，这就变成双例了。所以，我们要解决的是线程安全问题。
解决方法：
可以在方法上加锁，或者使用代码块进行加锁
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
// 或者
public static Singleton getInstance() {
synchronized(Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
return singleton;
}
2、并发性能
问题：
这样可以规避两个线程同时创建Singleton对象的风险，但是引来另外一个问题：每次去获取对象都需要先获取锁，并发性能非常地差，极端情况下，可能会出现卡顿现象。
解决方法：
如果没有实例化对象则加锁创建，如果已经实例化了，则不需要加锁，直接获取实例。所以直接在方法上加锁的方式就被废掉了，因为这种方式无论如何都需要先获取锁。
原因：
如果把锁直接加在方法上，那么无论是否已经创建过该类的实例，所有线程都只能一个一个的依次执行整个方法体，会造成大量的阻塞时间。
另外，我们之所以要处理线程安全问题，只是因为在getInstance（）方法前几次被并发执行时，可能会有多个线程得到“single == null”为“true”的结果，从而有可能出现创建多个对象的情况。而一旦有线程完成了创建实例的操作，那么在不考虑其他修改方法的情况下，对于getInstance（）这种只读操作，其方法内部就不再存在线程安全问题。
所以，如果对象已经创建，我们完全可以让其他所有线程都并行执行getInstance（）方法，于是便有了了这种“为创建对象时同步执行，已创建对象后异步执行”的优化方式：采用在代码块上加锁的方式进行优化。
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) { // 线程A和线程B同时看到singleton = null，如果不为null，则直接返回singleton
synchronized(Singleton.class) { // 线程A或线程B获得该锁进行初始化
if (singleton == null) { // 其中一个线程进入该分支，另外一个线程则不会进入该分支
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
上面的代码已经完美地解决了并发安全+性能低效问题：
- 如果singleton不为空，则直接返回对象，不需要获取锁；而如果多个线程发现singleton为空，则进入分支；
- 多个线程尝试争抢同一个锁，只有一个线程争抢成功，第一个获取到锁的线程会再次判断singleton是否为空，因为singleton有可能已经被之前的线程实例化
- 其它之后获取到锁的线程在执行到第4行校验代码，发现singleton已经不为空了，则不会再new一个对象，直接返回对象即可
- 之后所有进入该方法的线程都不会去获取锁，在第一次判断singleton对象时已经不为空了
强化理解
如果理解不了为什么要判断两次为null的情况，请看下面这个代码：
package threadTest;
public class Singleton {
private static volatile Singleton singleton;
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) { // 线程A和线程B同时看到singleton = null，如果不为null，则直接返回singleton
System.err.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到线程check");
synchronized(Singleton.class) { // 线程A或线程B获得该锁进行初始化
System.err.println(Thread.currentThread().getName()+"进入代码块");
if (singleton == null) { // 其中一个线程进入该分支，另外一个线程则不会进入该分支
System.err.println(Thread.currentThread().getName()+"创建实例");
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
如果有A、B两个线程，都执行到第一个if，都是null，那么他们都会执行同步代码块，假设A先执行，A执行完已经有实例了，如果不加里面那个if就会造成B再次实例化一次，这样单例就失效了。
因为需要两次判空，且对类对象加锁，该懒汉式写法也被称为：Double Check（双重校验） + Lock（加锁）
3、指令重排
创建一个对象，在JVM中会经过三步：
（1）为singleton分配内存空间
（2）初始化singleton对象
（3）将singleton指向分配好的内存空间
指令重排序是指：JVM在保证最终结果正确的情况下，可以不按照程序编码的顺序执行语句，尽可能提高程序的性能
在这三步中，第2、3步有可能会发生指令重排现象，创建对象的顺序变为1-3-2，会导致多个线程获取对象时，有可能线程A创建对象的过程中，执行了1、3步骤，线程B判断singleton已经不为空，获取到未初始化的singleton对象，就会报NPE异常。文字较为晦涩，可以看流程图：
使用volatile关键字可以防止指令重排序，其原理较为复杂，这篇博客不打算展开，可以这样理解：使用volatile关键字修饰的变量，可以保证其指令执行的顺序与程序指明的顺序一致，不会发生顺序变换，这样在多线程环境下就不会发生NPE异常了。
volatile还有第二个作用：使用volatile关键字修饰的变量，可以保证其内存可见性，即每一时刻线程读取到该变量的值都是内存中最新的那个值，线程每次操作该变量都需要先读取该变量。
最终的代码如下所示：
public class Singleton {
private static volatile Singleton singleton;
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) { // 线程A和线程B同时看到singleton = null，如果不为null，则直接返回singleton
synchronized(Singleton.class) { // 线程A或线程B获得该锁进行初始化
if (singleton == null) { // 其中一个线程进入该分支，另外一个线程则不会进入该分支
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
四、破坏懒汉式单例与饿汉式单例
无论是完美的懒汉式还是饿汉式，终究敌不过反射和序列化，它们俩都可以把单例对象破坏掉（产生多个对象）。
1、利用反射破坏单例模式
public static void main(String[] args) {
// 获取类的显式构造器
Constructor<Singleton> construct = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
// 可访问私有构造器
construct.setAccessible(true);
// 利用反射构造新对象
Singleton obj1 = construct.newInstance();
// 通过正常方式获取单例对象
Singleton obj2 = Singleton.getInstance();
System.out.println(obj1 == obj2); // false
}
上述的代码一针见血了：利用反射，强制访问类的私有构造器，去创建另一个对象
2、利用序列化与反序列化破坏单例模式
public static void main(String[] args) {
// 创建输出流
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("Singleton.file"));
// 将单例对象写到文件中
oos.writeObject(Singleton.getInstance());
// 从文件中读取单例对象
File file = new File("Singleton.file");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();
// 判断是否是同一个对象
System.out.println(newInstance == Singleton.getInstance()); // false
}
两个对象地址不相等的原因是：readObject() 方法读入对象时，它必定会返回一个新的对象实例，必然指向新的内存地址。
五、枚举实现
public class Singleton {
private Singleton(){}
//定义一个枚举类
private enum SingletonEnum {
//创建一个枚举实例
INSTANCE;
private Singleton singleton;
//在枚举类的构造方法内实例化单例类
SingletonEnum(){
singleton = new Singleton();
}
private Singleton getInstance(){
return singleton;
}
}
public static Singleton getInstance(){
//获取singleton实例
return SingletonEnum.INSTANCE.getInstance();
}
}
需要思考：使用枚举实现单例模式的优势在哪里？
我们从最直观的地方入手，第一眼看到这几行代码，就会感觉到“少”，没错，就是少，虽然这优势有些牵强，但写的代码越少，越不容易出错。
**优势1：**代码对比饿汉式与懒汉式来说，更加地简洁
其次，既然是实现单例模式，那这种写法必定满足单例模式的要求，而且使用枚举实现时，没有做任何额外的处理。
优势2：它不需要做任何额外的操作去保证对象单一性与线程安全性
我写了一段测试代码放在下面，这一段代码可以证明程序启动时仅会创建一个 Singleton 对象，且是线程安全的。
我们可以简单地理解枚举实现单例的过程：在程序启动时，会调用Singleton的空参构造器，实例化好一个Singleton对象赋给INSTANCE，之后再也不会实例化
public enum Singleton {
INSTANCE;
Singleton() { System.out.println("枚举创建对象了"); }
public static void main(String[] args) { /* test(); */ }
public void test() {
Singleton t1 = Singleton.INSTANCE;
Singleton t2 = Singleton.INSTANCE;
System.out.print("t1和t2的地址是否相同：" + t1 == t2);
}
}
// 枚举创建对象了
// t1和t2的地址是否相同：true
除了优势1和优势2，还有最后一个优势让枚举实现单例模式在目前看来已经是“无懈可击”了。
优势3：使用枚举可以防止调用者使用反射、序列化与反序列化机制强制生成多个单例对象，破坏单例模式。
防破坏的原理如下：
（1）防反射
枚举类默认继承了 Enum 类，在利用反射调用 newInstance() 时，会判断该类是否是一个枚举类，如果是，则抛出异常。
（2）防止反序列化创建多个枚举对象
在读入Singleton对象时，每个枚举类型和枚举名字都是唯一的，所以在序列化时，仅仅只是对枚举的类型和变量名输出到文件中，在读入文件反序列化成对象时，利用 Enum 类的 valueOf(String name) 方法根据变量的名字查找对应的枚举对象。
所以，在序列化和反序列化的过程中，只是写出和读入了枚举类型和名字，没有任何关于对象的操作。
六、饿汉式和懒汉式区别
从名字上来说，饿汉和懒汉，
饿汉就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了，
而懒汉比较懒，只有当调用getInstance的时候，才回去初始化这个单例。
另外从以下两点再区分以下这两种方式：
1、线程安全：
饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题
懒汉式本身是非线程安全的，在需要用到对象时才实例化对象，正确的实现方式是：Double Check + Lock，解决了并发安全和性能低下问题，或者采用枚举
2、资源加载和性能：
饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成，
而懒汉式顾名思义，会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。
至于1、2这两种实现又有些区别：
第1种，在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟99%的情况下是不需要同步的，
第2种，在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗
七、总结
（1）单例模式常见的写法有两种：懒汉式、饿汉式
（2）懒汉式：在需要用到对象时才实例化对象，正确的实现方式是：Double Check + Lock，解决了并发安全和性能低下问题
（3）饿汉式：在类加载时已经创建好该单例对象，在获取单例对象时直接返回对象即可，不会存在并发安全和性能问题。
（4）在开发中如果对内存要求非常高，那么使用懒汉式写法，可以在特定时候才创建该对象；
（5）如果对内存要求不高使用饿汉式写法，因为简单不易出错，且没有任何并发安全和性能问题
（6）为了防止多线程环境下，因为指令重排序导致变量报NPE，需要在单例对象上添加volatile关键字防止指令重排序
（7）最优雅的实现方式是使用枚举，其代码精简，没有线程安全问题，且 Enum 类内部防止反射和反序列化时破坏单例。
八、什么是线程安全？
如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。
或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作，或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题，那就是线程安全的。
最后
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