简谈设计模式之单例模式

  • 开发
  • 19

上一篇博客已经介绍了设计模式及其设计原则, 在这篇博客中笔者会介绍一下单例模式, 也是最简单的一种设计模式

单例模式

单例模式属于创建型模式. 它涉及到一个单一的类, 该类负责创建自己的对象, 同时确保只有单个对象被创建, 这个类提供了一种访问其唯一对象的方式, 可以直接访问, 不需要实例化这个类的对象

单例模式结构

  • 单例类. 只能创建一个实例的类
  • 访问类. 使用单例类

单例模式实现

  1. 饿汉式单例

特点: 在类加载时就创建实例, 线程安全, 但是可能会导致资源浪费

public class Singleton {
    // 在类加载时就创建实例instance
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    // 私有的构造函数, 避免从外部构造新实例
    private Singleton() {}
    
    // 提供一个全局访问的接口, 可以获取已经创建好的单个实例instance
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}
  1. 懒汉式单例

特点: 延迟创建实例, 但是线程不安全

public class Singleton {
    // 单个的实例
    private static Singleton instance;
    
    // 私有的构造函数, 避免从外部构造新实例
    private Singleton() {}
    
    // 提供一个全局访问的接口, 可以获取已经创建好的单个实例instance
    public static Singleton getInstance() {
        // 假如这时instance还没有被创建, 那么就创建一个新的实例instance
        if (instace == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

懒汉式单例模式在多线程环境下容易导致线程不安全, 这是因为多个线程可能会同时访问 getInstance() 方法并且同时进入 if (instance == null) 代码块, 这样就会创建多个实例, 违背了单例模式的原则.

  1. 线程安全的懒汉式单例

特点: 延迟创建实例, 使用同步方法保证线程安全, 但是会有性能开销

public class Singleton {
    // 单个的实例
    private static Singleton instance;
    
    // 私有的构造函数, 避免从外部构造新实例
    private Singleton() {}
    
    // 提供一个全局访问的接口, 可以获取已经创建好的单个实例instance, 使用同步方法保证线程安全
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        // 假如这时instance还没有被创建, 那么就创建一个新的实例instance
        if (instace == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
  1. 双重检查锁

特点: 提高性能, 减少同步开销, 线程安全

public class Singleton {
    // 单个的实例
    private static Singleton instance;
    
    // 私有的构造函数, 避免从外部构造新实例
    private Singleton() {}
    
    // 提供一个全局访问的接口, 可以获取已经创建好的单个实例instance
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次判断实例是否为null, 如果不为null就直接返回实例, 不进入抢锁阶段
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 抢到锁了再判断一次是否为null
            	if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁模式可能会出现空指针问题, 出现问题的原因是JVM在实例对象时会进行优化和指令重排序操作

为了解决空指针异常问题, 可以使用 volatile 关键字, volatile 关键字可以保证可见性和有序性

public class Singleton {
    // 单个的实例, 使用volatile关键字保证其可见性和有序性
    private static volatile Singleton instance;
    
    // 私有的构造函数, 避免从外部构造新实例
    private Singleton() {}
    
    // 提供一个全局访问的接口, 可以获取已经创建好的单个实例instance
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次判断实例是否为null, 如果不为null就直接返回实例, 不进入抢锁阶段
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 抢到锁了再判断一次是否为null
            	if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

笔者写到这一段的时候突然想到, 如果把上面双重检查锁的代码略改一下, 改成下面这样, 是否可行?

// Double-Checked Locking version 1
public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
}
//======================================
// Double-Checked Locking version 2
public static Singleton getInstance() {
    synchronized (Singleton.class) {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
}

上面的两种改法, 分别是把synchronized同步块内和同步块外的判断语句 if (instance == null) 删掉之后得到的新代码.

上面这两种改法是否可行呢? 其实都不好. 对于版本1, 假设有线程1和线程2, 进行了如下操作

---------------------------------------------------------
        Thread 1                    Thread 2
           |                            |
           |                            |
           |                            |
           |                            |
走到synchronized代码块处                 |
拿到锁之后发生了一次线程切换               |
           |                            |
           |                        走到synchronized代码块处, 拿不到锁, 被阻塞
           |                        线程切换
           |                            |
Thread 1创建了一个新实例                 |
Thread 1离开了synchronized代码块         |
锁被释放                                 |
线程切换                                 |
           |                            |
           |                            |
           |                        Thread 2拿到锁
           |                        Thread 2创建了新实例 (这里违背了单例模式原则)
           |                        Thread 2离开了synchronized代码块
           |                        Thread 2返回了创建的实例
           |                        线程切换
           |                            |
Thread 1返回创建的实例                   |
---------------------------------------------------------

这就和线程不安全的懒汉单例模式一样了

对于版本2, 其实和使用同步代码块的懒汉单例模式也是一样的, 线程是安全的, 但是性能开销依然存在

  1. 静态内部类

特点: 利用类加载机制实现懒加载, 线程安全

public class Singleton {
    // 私有的构造函数, 避免从外部构造新实例
    private Singleton() {}
    
    // 静态内部类, 延迟加载
    private static class SingletonHelper {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    // 提供一个全局访问的接口, 可以获取已经创建好的单个实例instance
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHelper.INSTANCE;
    }
}
  1. 枚举单例

特点: 简单, 线程安全, 防止反序列化导致创建新的实例

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    // 其他方法
    public void someMethod() {
        // do something
    }
}

单例模式被破坏的情况

除了枚举单例模式之外, 其他单例模式都可以被破坏. 破坏单例模式的方法有两种, 分别为 序列化 和 反射

  1. 序列化破坏单例模式

因为在序列化和反序列化过程中, 会创建一个新的实例, 即使单例类在内存中有一个唯一的实例, 通过反序列化也能创建多个实例, 这样就破坏了单例模式的初衷

假设有一个单例类如下:

import java.io.Serializable
    
public class Singleton implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    
    private static final Singleton instance = new instance();
    
    private Singleton();
    
    public Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    
    // other methods...
}

破坏单例模式的场景

import java.io.*;

public class SingletonDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
            
            // 序列化
            ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton.ser"));
            out.writeObject(instance1);
            out.close();
            
            // 反序列化
            ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("singleton.ser"));
            Singleton instance2 = (Singleton) in.readObject();
            in.close;
            System.out.println("Instance 1 hash code: " + instance1.hashCode());
            System.out.println("Instance 2 hash code: " + instance2.hashCode());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行 SingletonDemo, 发现 instance1 和 instance2 的哈希码并不相同, 说明它们是不同的实例, 这就破坏了单例模式

为了防止序列化破坏单例模式, 可以在单例类中定义 readResolve 方法, 这个方法在反序列化时会被调用, 返回当前的单例实例, 从而确保反序列化得到的始终是唯一的单例实例

改进之后的单例类

import java.io.Serializable
    
public class Singleton implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    
    private static final Singleton instance = new instance();
    
    private Singleton();
    
    public Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    
    // 添加readResolve方法
    protected Object readResolve() {
        return getInstance();
    }
    
    // other methods...
}

再次运行 SingletonDemo , 发现 instance1 和 instance2 的哈希码是相同的, 因此它们是同一个实例, 单例模式没有被破坏.

  1. 反射破坏单例模式

因为反射允许我们访问私有构造方法, 从而构建多个对象, 这就违背了单例模式的初衷

假设有一个单例类如下:

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

    private Singleton() {}

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

破坏单例模式的场景

import java.lang.reflect.Constructor;

public class SingletonDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

            // 通过反射创建新的实例
            Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
            constructor.setAccessible(true);
            Singleton instance2 = constructor.newInstance();

            // 检查两个实例是否相同
            System.out.println("Instance 1 hash code: " + instance1.hashCode());
            System.out.println("Instance 2 hash code: " + instance2.hashCode());

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行 SingletonDemo, 发现 instance1 和 instance2 的哈希码并不相同. 说明它们是不同的实例, 单例模式被破坏

为了防止反射破坏单例模式, 可以在构造方法中添加防御措施, 例如在构造方法中检测实例是否存在, 如果存在就抛出异常

改进之后的单例类

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

    private Singleton() {
        // 防止反射创建新的实例
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("Use getInstance() method to get the single instance of this class.");
        }
    }

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

再次运行 SingletonDemo, 发现反射创建实例的步骤会抛出异常, 阻止了反射破坏单例模式

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