单例模式，真不简单
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。
2 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。
2.1 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。
private static final SimpleSingleton INSTANCE = new SimpleSingleton();
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？
还真是啊。
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。
2.2 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。
2.3 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。
2.4 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。
3 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？
3.1 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？
3.2 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？
4 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？
4.1 如何实现单例模式？
具体代码如下：
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。
4.2 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 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。。。
4.3 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。。。
5 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。
6 多例模式
我们之前聊过的单例模式，都只会产生一个实例。但它其实还有一个变种，也就是我们接下来要聊的：多例模式。
多例模式顾名思义，它允许创建多个实例。但它的初衷是为了控制实例的个数，其他的跟单例模式差不多。
具体实现代码如下：
public class SimpleMultiPattern {
//持有自己类的引用
private static final SimpleMultiPattern INSTANCE1 = new SimpleMultiPattern();
private static final SimpleMultiPattern INSTANCE2 = new SimpleMultiPattern();
//私有的构造方法
private SimpleMultiPattern() {
}
//对外提供获取实例的静态方法
public static SimpleMultiPattern getInstance(int type) {
if(type == 1) {
return INSTANCE1;
}
return INSTANCE2;
}
}
为了看起来更直观，我把一些额外的安全相关代码去掉了。
有些朋友可能会说：既然多例模式也是为了控制实例数量，那我们常见的池技术，比如：数据库连接池，是不是通过多例模式实现的？
答：不，它是通过享元模式实现的。
那么，多例模式和享元模式有什么区别？
多例模式：跟单例模式一样，纯粹是为了控制实例数量，使用这种模式的类，通常是作为程序某个模块的入口。 享元模式：它的侧重点是对象之间的衔接。它把动态的、会变化的状态剥离出来，共享不变的东西。
7 真实使用场景
最后，跟大家一起聊聊，单例模式的一些使用场景。我们主要看看在java的框架中，是如何使用单例模式，给有需要的朋友一个参考。
7.1 Runtime
jdk提供了Runtime类，我们可以通过这个类获取系统的运行状态。
比如可以通过它获取cpu核数：
int availableProcessors = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
Runtime类的关键代码如下：
public class Runtime {
private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
public static Runtime getRuntime() {
return currentRuntime;
}
private Runtime() {}
...
}
从上面的代码我们可以看出，这是一个单例模式，并且是饿汉模式。
但根据文章之前讲过的一些理论知识，你会发现Runtime类的这种单例模式实现方式，显然不太好。实例对象既没用final关键字修饰，也没考虑对象实例化的性能消耗问题。
不过它的优点是实现起来非常简单。
7.2 NamespaceHandlerResolver
spring提供的DefaultNamespaceHandlerResolver是为需要初始化默认命名空间处理器，是为了方便后面做标签解析用的。
它的关键代码如下：
@Nullable
private volatile Map handlerMappings;
private Map getHandlerMappings() {
Map handlerMappings = this.handlerMappings;
if (handlerMappings == null) {
synchronized (this) {
handlerMappings = this.handlerMappings;
if (handlerMappings == null) {
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Loading NamespaceHandler mappings from [" + this.handlerMappingsLocation + "]");
}
try {
Properties mappings =
PropertiesLoaderUtils.loadAllProperties(this.handlerMappingsLocation, this.classLoader);
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Loaded NamespaceHandler mappings: " + mappings);
}
handlerMappings = new ConcurrentHashMap<>(mappings.size());
CollectionUtils.mergePropertiesIntoMap(mappings, handlerMappings);
this.handlerMappings = handlerMappings;
}
catch (IOException ex) {
throw new IllegalStateException(
"Unable to load NamespaceHandler mappings from location [" + this.handlerMappingsLocation + "]", ex);
}
}
}
}
return handlerMappings;
}
我们看到它使用了双重检测锁，并且还定义了一个局部变量handlerMappings，这是非常高明之处。
使用局部变量相对于不使用局部变量，可以提高性能。主要是由于 volatile 变量创建对象时需要禁止指令重排序，需要一些额外的操作。
7.3 LogFactory
mybatis提供LogFactory类是为了创建日志对象，根据引入的jar包，决定使用哪种方式打印日志。具体代码如下：
public final class LogFactory {
public static final String MARKER = "MYBATIS";
private static Constructor logConstructor;
static {
tryImplementation(new Runnable() {
@Override
public void run() {
useSlf4jLogging();
}
});
tryImplementation(new Runnable() {
@Override
public void run() {
useCommonsLogging();
}
});
tryImplementation(new Runnable() {
@Override
public void run() {
useLog4J2Logging();
}
});
tryImplementation(new Runnable() {
@Override
public void run() {
useLog4JLogging();
}
});
tryImplementation(new Runnable() {
@Override
public void run() {
useJdkLogging();
}
});
tryImplementation(new Runnable() {
@Override
public void run() {
useNoLogging();
}
});
}
private LogFactory() {
// disable construction
}
public static Log getLog(Class aClass) {
return getLog(aClass.getName());
}
public static Log getLog(String logger) {
try {
return logConstructor.newInstance(logger);
} catch (Throwable t) {
throw new LogException("Error creating logger for logger " + logger + ". Cause: " + t, t);
}
}
public static synchronized void useCustomLogging(Class clazz) {
setImplementation(clazz);
}
public static synchronized void useSlf4jLogging() {
setImplementation(org.apache.ibatis.logging.slf4j.Slf4jImpl.class);
}
public static synchronized void useCommonsLogging() {
setImplementation(org.apache.ibatis.logging.commons.JakartaCommonsLoggingImpl.class);
}
public static synchronized void useLog4JLogging() {
setImplementation(org.apache.ibatis.logging.log4j.Log4jImpl.class);
}
public static synchronized void useLog4J2Logging() {
setImplementation(org.apache.ibatis.logging.log4j2.Log4j2Impl.class);
}
public static synchronized void useJdkLogging() {
setImplementation(org.apache.ibatis.logging.jdk14.Jdk14LoggingImpl.class);
}
public static synchronized void useStdOutLogging() {
setImplementation(org.apache.ibatis.logging.stdout.StdOutImpl.class);
}
public static synchronized void useNoLogging() {
setImplementation(org.apache.ibatis.logging.nologging.NoLoggingImpl.class);
}
private static void tryImplementation(Runnable runnable) {
if (logConstructor == null) {
try {
runnable.run();
} catch (Throwable t) {
// ignore
}
}
}
private static void setImplementation(Class implClass) {
try {
Constructor candidate = implClass.getConstructor(String.class);
Log log = candidate.newInstance(LogFactory.class.getName());
if (log.isDebugEnabled()) {
log.debug("Logging initialized using '" + implClass + "' adapter.");
}
logConstructor = candidate;
} catch (Throwable t) {
throw new LogException("Error setting Log implementation. Cause: " + t, t);
}
}
}
这段代码非常经典，但它却是一个不走寻常路的单例模式。因为它创建的实例对象，可能存在多种情况，根据引入不同的jar包，加载不同的类创建实例对象。如果有一个创建成功，则用它作为整个类的实例对象。
这里有个非常巧妙的地方是：使用了很多tryImplementation方法，方便后面进行扩展。不然要写很多，又臭又长的if...else判断。
此外，它跟常规的单例模式的区别是，LogFactory类中定义的实例对象是Log类型，并且getLog方法返回的参数类型也是Log，不是LogFactory。
最关键的一点是：getLog方法中是通过构造器的newInstance方法创建的实例对象，每次请求getLog方法都会返回一个新的实例，它其实是一个多例模式。
7.4 ErrorContext
mybatis提供ErrorContext类记录了错误信息的上下文，方便后续处理。
那么它是如何实现单例模式的呢？关键代码如下：
public class ErrorContext {
...
private static final ThreadLocal LOCAL = new ThreadLocal();
private ErrorContext() {
}
public static ErrorContext instance() {
ErrorContext context = LOCAL.get();
if (context == null) {
context = new ErrorContext();
LOCAL.set(context);
}
return context;
}
...
}
我们可以看到，ErrorContext跟传统的单例模式不一样，它改良了一下。它使用了饿汉模式，并且使用ThreadLocal，保证每个线程中的实例对象是单例的。这样看来，ErrorContext类创建的对象不是唯一的，它其实也是多例模式的一种。
7.5 spring的单例
以前在spring中要定义一个bean，需要在xml文件中做如下配置：
"test" class="com.susan.Test" init-method="init" scope="singleton">
在bean标签上有个scope属性，我们可以通过指定该属性控制bean实例是单例的，还是多例的。如果值为singleton，代表是单例的。当然如果该参数不指定，默认也是单例的。如果值为prototype，则代表是多例的。
在spring的AbstractBeanFactory类的doGetBean方法中，有这样一段代码：
if (mbd.isSingleton()) {
sharedInstance = getSingleton(beanName, () -> {
return createBean(beanName, mbd, args);
});
bean = getObjectForBeanInstance(sharedInstance, name, beanName, mbd);
} else if (mbd.isPrototype()) {
Object prototypeInstance = createBean(beanName, mbd, args);
bean = getObjectForBeanInstance(prototypeInstance, name, beanName, mbd);
} else {
....
}
这段代码我为了好演示，看起来更清晰，我特地简化过的。它的主要逻辑如下：
判断如果scope是singleton，则调用getSingleton方法获取实例。 如果scope是prototype，则直接创建bean实例，每次会创建一个新实例。 如果scope是其他值，则允许我们自定bean的创建过程。
其中getSingleton方法主要代码如下：
public Object getSingleton(String beanName, ObjectFactory singletonFactory) {
Assert.notNull(beanName, "Bean name must not be null");
synchronized (this.singletonObjects) {
Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
if (singletonObject == null) {
singletonObject = singletonFactory.getObject();
if (newSingleton) {
addSingleton(beanName, singletonObject);
}
}
return singletonObject;
}
}
有个关键的singletonObjects对象，其实是一个ConcurrentHashMap集合：
private final Map singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);
getSingleton方法的主要逻辑如下：
根据beanName先从singletonObjects集合中获取bean实例。 如果bean实例不为空，则直接返回该实例。 如果bean实例为空，则通过getObject方法创建bean实例，然后通过addSingleton方法，将该bean实例添加到singletonObjects集合中。 下次再通过beanName从singletonObjects集合中，就能获取到bean实例了。
在这里spring是通过ConcurrentHashMap集合来保证对象的唯一性。
最后留给大家几个小问题思考一下：
欢迎大家给我留言，说出你心中的答案。
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