Java 单例模式完整指南
设计模式一直流行于程序员之间，本文讨论被许多人认为最简单但最有争议的设计模式 —— 单例模式
设计模式概述
在软件工程中，设计模式描述了如何解决重复出现的设计问题，以设计出灵活、可复用的面向对象的应用程序。设计模式一共有 23 种，可以将它们分为三个不同的类别 —— 创建型、结构型和行为型。
创建型设计模式
创建型设计模式是处理对象创建机制的模式，试图以适合的方式创建对象。
对象创建的基本形式可能会导致设计问题或增加设计的复杂性。创建型设计模式通过某种方式控制对象的创建来解决此问题。
结构型设计模式
结构型设计模式处理类和对象的组成。这类模式使我们将对象和类组装为更大的结构，同时保持结构的高效和灵活。
行为型设计模式
行为型设计模式讨论对象的通信以及它们之间如何交互。
单例设计模式
我们对设计模式和其类型进行了概述，接下来我们重点介绍单例设计模式。
单例模式提供了控制程序中允许创建的实例数量的能力，同时确保程序中有一个单例的全局访问点。
优点
- 对单个实例的访问控制
- 减少对象数量
- 允许完善操作和表示
缺点
- 被很多程序员视为反模式
- 在可能不需要单例的情况下被误用
实现
单例设计模式可以通过多种方式实现。每一种都有其自身的优点和局限性，我们可以通过以下几种方式实现单例模式：
- 预先初始化（Eager Initialization）
- 静态块预初始化
- 延迟初始化（Lazy Initialization）
- 线程安全的延迟初始化
- 双重检查的延迟初始化
- 单个实例的枚举
实现单例
本节我们将讨论实现单例模式的各种方法。
预先初始化（Eager Initialization）
- 用预先初始化方法，对象在创建之前就已被初始化
- 由于预先初始化，所以可能会出现程序并不需要的情况下初始化
- 如果单例类很简单并且不需要太多资源，这个方法会很有用。
public class EagerInitialization {
private static EagerInitialization INSTANCE = new EagerInitialization();
private EagerInitialization() {
}
public static EagerInitialization getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
静态块预初始化
- 在前面讨论的预先初始化方法中，没有提供任何异常处理逻辑
- 在此实现中，对象是在静态块中创建的，因此在对象初始化时可以进行异常处理
- 这种方法和预先初始化有同样的问题：即使程序可能不使用对象，对象也会被提前创建出来
延迟初始化（Lazy Initialization）
- 按需创建对象
- 与预先初始化不同，延迟初始化会在需要时创建对象
- 此实现 不是线程安全的
import java.util.Objects;
public class LazyInit {
private static LazyInit INSTANCE = null;
private LazyInit() {
}
public static LazyInit getInstance() {
if (null == INSTANCE) {
synchronized (LazyInit.class) {
INSTANCE = new LazyInit();
}
}
return INSTANCE;
}
}
线程安全的延迟初始化
- 添加了用以处理多线程的同步方案
- 因为每次调用都需要进行方法级同步，而过度的同步会降低性能
import java.util.Objects;
public class LazyInitialization {
private static LazyInitialization INSTANCE = null;
private LazyInitialization() {
}
public synchronized static LazyInitialization getInstance() {
if (null == INSTANCE) {
INSTANCE = new LazyInitialization();
}
return INSTANCE;
}
}
双重检查的延迟初始化
- 解决方法级同步的问题
- 为对象可为空性执行双重检查
- 尽管这种方法似乎可以完美的工作，但是在多线程场景下不太适用。
import java.util.Objects;
public class DoubleCheckSingleton {
private static DoubleCheckSingleton INSTANCE;
private DoubleCheckSingleton(){}
public static DoubleCheckSingleton getInstance() {
if(null == INSTANCE){
synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {
if(null == INSTANCE){
INSTANCE = new DoubleCheckSingleton();
}
}
}
return INSTANCE;
}
}
说明一下为什么这种方法在多线程常见下可能存在问题：
INSTANCE = new DoubleCheckSingleton(); 这句代码，实际上可以分解成以下三个步骤：
- 分配内存空间
- 初始化对象
- 将对象指向刚分配的内存空间
但是有些编译器为了性能的原因，可能会将第二步和第三步进行重排序，顺序就成了：
- 分配内存空间
- 将对象指向刚分配的内存空间
- 初始化对象
在多线程中就会出现第二个线程判断对象不为空，但此时对象还未初始化的情况。
正确的双重检查
import java.util.Objects;
public class DoubleCheckSingleton {
private volatile static DoubleCheckSingleton INSTANCE;
private DoubleCheckSingleton(){}
public static DoubleCheckSingleton getInstance() {
if(null == INSTANCE){
synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {
if(null == INSTANCE){
INSTANCE = new DoubleCheckSingleton();
}
}
}
return INSTANCE;
}
}
为了解决上述问题，需要加入关键字 volatile 。使用了 volatile 关键字后，重排序被禁止，所有的写（write）操作都将发生在读（read）操作之前。
单个实例的枚举
- 使用 Java 枚举类型创建单例
- 此方法为处理反射、序列化和多线程场景提供了本地支持
- 枚举类型有些不灵活
public enum Singleton {
INSTANCE;
}
保护单例
使单例不受反射访问的影响
在所有的单例实现中（枚举方法除外），我们通过提供私有构造函数来确保单例。但是，可以通过 反射 来访问私有构造函数，反射是在运行时检查或修改类的运行时行为的过程。
让我们演示如何通过反射访问单例：
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
public class SingletonWithReflection {
public static void main(String[] args) {
EagerInitializedSingleton firstSingletonInstance = EagerInitializedSingleton.getInstance();
EagerInitializedSingleton secondSingletonInstance = null;
try{
Class<EagerInitializedSingleton> clazz = EagerInitializedSingleton.class;
Constructor<EagerInitializedSingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
secondSingletonInstance = constructor.newInstance();
}
catch(NoSuchMethodException | InvocationTargetException | IllegalAccessException | InstantiationException e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Instance 1 hashcode: "+firstSingletonInstance.hashCode());
System.out.println("Instance 2 hashcode: "+secondSingletonInstance.hashCode());
}
}
上边代码输出如下：
Instance 1 hashcode: 21049288 Instance 2 hashcode: 24354066
解决：
如果单例对象已经初始化，则可以通过禁止对构造函数的访问来防止通过反射访问单例类。如果在对象初始化之后调用构造函数，可以通过抛出异常的方式来实现。
public final class EagerInitializedSingleton {
private static final EagerInitializedSingleton INSTANCE = new EagerInitializedSingleton();
private EagerInitializedSingleton(){
if(Objects.nonNull(INSTANCE)){
throw new RuntimeException("This class can only be access through getInstance()");
}
}
public static EagerInitializedSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
}
使单例在序列化时安全
在分布式应用程序中，有时我们会序列化一个对象，以将对象状态保存在持久化存储中，并用以之后的检索。保存对象状态的过程称为 序列化 ，而检索操作称为 反序列化 。
如果单例没有被正确实现，那么可能出现一个单例对象有两个实例的情况。
让我们看看如何出现这种情况：
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
public class SingletonWithSerialization {
public static void main(String[] args) {
EagerInitializedSingleton firstSingletonInstance = EagerInitializedSingleton.getInstance();
EagerInitializedSingleton secondSingletonInstance = null;
ObjectOutputStream outputStream = null;
ObjectInputStream inputStream = null;
try{
// 将对象状态保存到文件中
outputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("FirstSingletonInstance.ser"));
outputStream.writeObject(firstSingletonInstance);
outputStream.close();
// 从文件中检索对象状态
inputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("FirstSingletonInstance.ser"));
secondSingletonInstance = (EagerInitializedSingleton) inputStream.readObject();
inputStream.close();
}
catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("FirstSingletonInstance hashcode: "+firstSingletonInstance.hashCode());
System.out.println("SecondSingletonInstance hashcode: "+secondSingletonInstance.hashCode());
}
}
以上代码输出如下：
FirstSingletonInstance hashcode: 23090923 SecondSingletonInstance hashcode: 19586392
这说明现在有两个单例实例。
注意，单例类必须实现 Serializable 接口才能序列化实例。
为了避免序列化产生多个实例，我们可以在单例类中实现 readResolve() 方法。这个方法将会替换从流中读取的对象。实现代码如下：
import java.io.Serializable;
import java.util.Objects;
public class EagerInitializedSingleton implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1L;
private static final EagerInitializedSingleton INSTANCE = new EagerInitializedSingleton();
private EagerInitializedSingleton(){
if(Objects.nonNull(INSTANCE)){
throw new RuntimeException("This class can only be access through getInstance()");
}
}
public static EagerInitializedSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
protected Object readResolve(){
return getInstance();
}
}
再次执行 SingletonWithSerialization 输出如下：
FirstSingletonInstance hashcode: 24336889 SecondSingletonInstance hashcode: 24336889
Java API 中的单例示例
Java API 中有很多类是用单例设计模式设计的：
java.lang.Runtime#getRuntime() java.awt.Desktop#getDesktop() java.lang.System#getSecurityManager()
结论
单例模式是最重要和最常用的设计模式之一。尽管很多人批评它是一种反模式，并且有很多实现时的注意事项，但在实际生活中有很多使用这种模式的示例。本文尝试介绍了常见的单例设计和与之相关的缺陷。
正文到此结束
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