本文主要分享的内容是单例模式的应用场景、常见的单例模式写法、保证线程安全的单例模式策略、反射暴力攻击单例解决方案及原理分析、序列化破坏单例的原理及解决方案。
一、单例模式的应用场景
单例模式（Singleton Pattern）是指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并提供一个全局访问点。单例模式是创建型模式。在 Spring 框架应用中 ApplicationContext；数据库的连接池也都是单例形式。
二、常见的单例模式写法
2.1 饿汉式单例
这种单例是在类加载的时候就马上初始化了，同时创建单例对象。这种方式不加任何锁，执行效率高，绝对的线程安全，但是缺点就是一开始就已经加载了，不管这个类最后有没有用到都会占用空间，浪费内存。饿汉式适用在单例对象较少的情况。Spring 中 IOC 容器 ApplicationContext 就是典型的饿汉式单例。下面是饿汉式单例的写法
/**
* 饿汉式单例
*/
public class HungrySingleton {
private static final HungrySingleton hungrySingleton =new HungrySingleton();
private HungrySingleton(){}
public static HungrySingleton getInstance(){
return hungrySingleton;
}
}
利用静态代码块加载的写法如下：
public class HungryStaticSingleton {
private static final HungryStaticSingleton hungryStaticSingleton;
static{
hungryStaticSingleton = new HungryStaticSingleton();
}
private HungryStaticSingleton(){}
public static HungryStaticSingleton getInstance(){
return hungryStaticSingleton;
}
}
2.2 懒汉式单例
懒汉式单例的特点就是在被外部类调用的时候才会加载，相比饿汉式，这样可以减少内存空间的浪费，做到“按需加载”。
public class LazySimpleSingleton {
private LazySimpleSingleton(){}
private static LazySimpleSingleton lazy = null;
public static LazySimpleSingleton getInstance(){
if(lazy == null){
lazy = new LazySimpleSingleton();
}
return lazy;
}
}
但是上面这种写法会带来一定的线程安全问题，当同时运行多个线程环境下 LazySimpleSingleton被实例化了多次。有时，我们得到的运行结果可能是相同的两个对象，实际上是被后面执行的线程覆盖了。所以我们要给 getInstance()加上 synchronized 关键字，使这个方法变成线程同步方法。
public class LazySimpleSingleton {
private LazySimpleSingleton(){}
private static LazySimpleSingleton lazy = null;
public synchronized static LazySimpleSingleton getInstance(){
if(lazy == null){
lazy = new LazySimpleSingleton();
}
return lazy;
}
}
在以上这种写法中，我们将其中一个线程执行并调用 getInstance()方法时，另一个线程再次调用 getInstance()方法，线程的状态由 RUNNING 变成了 MONITOR,出现阻塞。直到第一个线程执行完，第二个线程才恢复 RUNNING 状态继续调用 getInstance()
方法，所以这个时候线程安全的问题便解决了。但是，用synchronized 加锁，在线程数量比较多情况下，如果 CPU 分配压力上升，会导致大批量线程出现阻塞，从而导致程序运行性能大幅下降。所以这个时候就需要用到双重检查锁的单例模式
//双重检查式单例
public class LazyDoubleCheckSingleton {
//防止指令重排序
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazy = null;
private LazyDoubleCheckSingleton(){}
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
if(lazy == null){
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class){
if(lazy == null){
lazy = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return lazy;
}
}
当第一个线程调用 getInstance()方法时，第二个线程也可以调用 getInstance()。当第一个线程执行到 synchronized 时会上锁，第二个线程就会变成 MONITOR 状态，出现阻塞。此时，阻塞并不是基于整个 LazySimpleSingleton 类的阻塞，而是在getInstance()方法内部阻塞。但是，用到 synchronized 关键字，总归是要上锁，对程序性能还是存在一定影响的。
所以我们最好的方式就是使用静态内部类的方式，内部类一定是要在方法调用之前初始化，巧妙地避免了线程安全问题。
//内部类的方式实现
//这种形式兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾synchronized性能问题
public class LazyInnerClassSingleton {
private static class LazyHolder{
private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
}
private LazyInnerClassSingleton(){};
public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){
return LazyHolder.LAZY;
}
}
但是，以上这种内部类的写法，当我们使用反射来调用其构造方法，然后，再调用 getInstance()方法，应该就会
两个不同的实例。我们通过使用以下代码对这个内部类单例进行暴力破解：
public class LazyInnerClassSingletonTest {
public static void main(String[] args) {
try{
//对单例进行破坏
Class<?> clazz = LazyInnerClassSingleton.class;
//通过反射拿到私有的构造方法
Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
c.setAccessible(true);
//暴力初始化,调用两次构造方法，相当于new了两次
Object o1 = c.newInstance();
Object o2 = c.newInstance();
//对比两个对象是否相同
System.out.println(o1);
System.out.println(o2);
System.out.println(o1 ==o2);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果如下：
cn.tf.pattern.singleton.lazy.LazyInnerClassSingleton@4b67cf4d
cn.tf.pattern.singleton.lazy.LazyInnerClassSingleton@7ea987ac
false
从运行结果，我们可以看出这里创建了两个不同的实例。现在，我们在其构造方法中做一些限制，一旦出现多
次重复创建，则直接抛出异常。来看优化后的代码：
//内部类的方式实现
//这种形式兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾synchronized性能问题
public class LazyInnerClassSingleton {
private static class LazyHolder{
private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
}
private LazyInnerClassSingleton(){
if(LazyHolder.LAZY!=null){
throw new RuntimeException("不允许创建多个实例");
}
};
public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){
return LazyHolder.LAZY;
}
}
当再次去暴力破解后就会提示“不允许创建多个实例”，从而保证单例的实现。
2.3 序列化单例
当我们将一个单例对象创建好，有时候需要将对象序列化然后写入到磁盘，下次使用时再从磁盘中读取到对象，反序列化转化为内存对象。
//序列化单例
public class SeriableSingleton implements Serializable {
public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
private SeriableSingleton(){};
public static SeriableSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
}
对于这种写法的单例，我们可以通过以下暴力破解的方式来破坏这个单例：
/反序列化时导致单例破坏
public class SeriableSingletonTest {
public static void main(String[] args) {
SeriableSingleton s1=null;
SeriableSingleton s2 = SeriableSingleton.getInstance();
FileOutputStream fos = null;
try{
//将对象序列化然后写入到磁盘，下次使用时再从磁盘中读取到对象，反序列化转化为内存对象。
fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");
ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(fos);
os.writeObject(s2);
os.flush();
os.close();
FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");
ObjectInputStream is = new ObjectInputStream(fis);
s1 = (SeriableSingleton) is.readObject();
is.close();
//反序列化后的对象会重新分配内存，
//即重新创建。那如果序列化的目标的对象为单例对象，就违背了单例模式的初衷，相当
//于破坏了单例
System.out.println(s1);
System.out.println(s2);
System.out.println(s1==s2);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果如下：
cn.tf.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@7b23ec81
cn.tf.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@6e0be858
false
可以看出，反序列化后的对象和手动创建的对象是不一致的，在这里被实例化了两次，此时我们为了保证序列化的情况下也能够实现单例，需要将序列化单例优化成如下所示：
//序列化单例
public class SeriableSingleton implements Serializable {
public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
private SeriableSingleton(){};
public static SeriableSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
//防止被序列化破坏
private Object readResolve(){
return INSTANCE;
}
}
对于增加的这个readResolve方法，我们可以在JDK源码中的ObjectInputStream中的readObject()方法中逐步找到，在readObject()中有一个readObject0()方法，进入readObject0()之后可以看到TC_OBJECTD 中判断，调用了 ObjectInputStream 的 readOrdinaryObject()方法，
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
...
case TC_OBJECT:
return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));
...
}
isInstantiable()里面的代码如下：
boolean isInstantiable() {
requireInitialized();
return (cons != null);
}
判断一下构造方法是否为空，构造方法不为空就返回 true。所以从这里可以看出，如果是有无参构造方法就会去实例化。在判断无参构造方法是否存在之后，又调用了 hasReadResolveMethod()方法，就是判断 readResolveMethod 是否为空，不为空就返回 true。
boolean hasReadResolveMethod() {
requireInitialized();
return (readResolveMethod != null);
}
通过全局查找找到了赋值代码在私有方法
ObjectStreamClass()方法中给 readResolveMethod 进行赋值，来看代码
readResolveMethod = getInheritableMethod(
cl, "readResolve", null, Object.class);
我们可以看到在 invokeReadResolve()方法中用反射调用了 readResolveMethod 方法。通过 JDK 源码分析我们可以看出，虽然，增加 readResolve()方法返回实例，解决了单例被破坏的问题。但是，我们通过分析源码以及调试，我们可以看到实际上实例化了两次，只不过新创建的对象没有被返回而已。那如果，创建对象的动作发生频率增大，就意味着内存分配开销也就随之增大。
2.4 ThreadLocal 线程单例
ThreadLocal 不能保证其创建的对象是全局唯一，但是能保证在单个线程中是唯一的，天生的线程安全。ThreadLocal将所有的对象全部放在 ThreadLocalMap 中，为每个线程都提供一个对象，实际上是以空间换时间来实现线程间隔离的。
public class ThreadLocalSingleton {
private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocal =
new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>(){
@Override
protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
return new ThreadLocalSingleton();
}
};
private ThreadLocalSingleton(){};
public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
return threadLocal.get();
}
}
2.5 注册式单例
注册式单例又称为登记式单例，就是将每一个实例都登记到某一个地方，使用唯一的标识获取实例。注册式单例有两种写法：一种为容器缓存，一种为枚举登记。
2.4.1 容器式单例
容器式写法适用于创建实例非常多的情况，便于管理。但是，是非线程安全的。写法如下：
/**
* 容器式单例，容器式写法适用于创建实例非常多的情况，便于管理。但是，是非线程安全的。
*/
public class ContainerSingleton {
private ContainerSingleton(){}
private static Map<String,Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String, Object>();
public static Object getInstance(String className){
synchronized (ioc){
if(!ioc.containsKey(className)){
Object obj = null;
try{
obj = Class.forName(className).newInstance();
ioc.put(className,obj);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
return obj;
}else{
return ioc.get(className);
}
}
}
}
2.4.2 枚举登记式单例
枚举式单例在静态代码块中就给 INSTANCE 进行了赋值，是饿汉式单例的实现。
public enum EnumSingleton {
INSTANCE;
private Object data;
public Object getData(){
return data;
}
public void setData(Object data){
this.data = data;
}
public static EnumSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
}
序列化不能破坏枚举式单例，因为枚举类型其实通过类名和 Class 对象类找到一个唯一的枚举对象。因此，枚举对象不可能被类加载器加载多次。
private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException {
if (bin.readByte() != TC_ENUM) {
throw new InternalError();
}
ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
if (!desc.isEnum()) {
throw new InvalidClassException("non-enum class: " + desc);
}
int enumHandle = handles.assign(unshared ? unsharedMarker : null);
ClassNotFoundException resolveEx = desc.getResolveException();
if (resolveEx != null) {
handles.markException(enumHandle, resolveEx);
}
String name = readString(false);
Enum<?> result = null;
Class<?> cl = desc.forClass();
if (cl != null) {
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name);
result = en;
} catch (IllegalArgumentException ex) {
throw (IOException) new InvalidObjectException(
"enum constant " + name + " does not exist in " +
cl).initCause(ex);
}
if (!unshared) {
handles.setObject(enumHandle, result);
}
}
同时反射也不能破坏枚举式单例，因为在JDK 源码中，进入 Constructor 的newInstance()方法，在 newInstance()方法中做了强制性的判断，如果修饰符是 Modifier.ENUM 枚举类型，将会直接抛出异常。
@CallerSensitive
public T newInstance(Object ... initargs)
throws InstantiationException, IllegalAccessException,
IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{
if (!override) {
if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
checkAccess(caller, clazz, null, modifiers);
}
}
if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
ConstructorAccessor ca = constructorAccessor; // read volatile
if (ca == null) {
ca = acquireConstructorAccessor();
}
@SuppressWarnings("unchecked")
T inst = (T) ca.newInstance(initargs);
return inst;
}
3、总结
单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存开销；可以避免对资源的多重占用；可以通过设置全局访问点，严格控制访问。单例模式的缺点就是没有接口，扩展困难，如果要扩展单例对象，只有修改代码。单例模式的重点是私有化构造器保证线程安全、延迟加载、防止序列化和反序列化破坏单例、防御反射攻击单例。
文中提到的代码下载地址：https://github.com/sdksdk0/pattern_design/tree/master/src/main/java/cn/tf/pattern/singleton
