细说 Java 单例模式

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Gracker

2015年5月6日 18:09

单例模式也叫单子模式，是一种常用的软件设计模式。在应用这个模式时，单例对象的类必须保证只有一个实例存在。本文就从单例模式的两种构建方式来带大家了解一下单例，最后介绍一种高级且简洁的单例模式。

什么是单例模式

单例模式，也叫单子模式，是一种常用的软件设计模式。在应用这个模式时，单例对象的类必须保证只有一个实例存在。

中心原则就是：单例对象的类必须保证只有一个实例存在

单例模式的构建

在java中主要有两种构建方式

懒汉方式。指全局的单例实例在第一次被使用时构建。
饿汉方式。指全局的单例实例在类装载时构建。

简单的说就是一个需要延迟初始化，一个则不需要。

比较简单的构建方式有：

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

    // Private constructor suppresses   
    private Singleton() {
    }

    // default public constructor
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

这种方式实现简单，实例在类装载时构建，如果想要实现一种实例在第一次被使用时构建应该怎么做？

有一种叫做双重检查锁(double-checked locking)

public class Singleton {
    private static volatile Singleton INSTANCE = null;

    // Private constructor suppresses 
    // default public constructor
    private Singleton() {
    }

    //thread safe and performance  promote 
    public static Singleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                //when more than two threads run into the first null check same time, to avoid instanced more than one time, it needs to be checked again.
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

此种方法只能用在JDK5及以后版本(注意 INSTANCE 被声明为 volatile)，之前的版本使用“双重检查锁”会发生非预期行为.

另一种单例模式

在第一条推荐阅读里提到了另一种实现单例的方式 lazy initialization holder class idiom

public class Singleton {

    // Private constructor suppresses   
    private Singleton() {
    }

    private static class LazyHolder {
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

JVM在类的初始化阶段（即在Class被加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，JVM会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。相比其他实现方案（如double-checked locking等），该技术方案的实现代码较为简洁，并且在所有版本的编译器中都是可行的。

关于 static final Singleton INSTANCE 域的访问权限为什么时包级私有可以阅读: Initialization On Demand Holder idiom的实现探讨

使用枚举

最后推荐实现最为简洁的一种方式: 使用枚举

代码极其简洁, 使用极其简单:

1
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3

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

回顾一下前面集中单例的实现方式, 都只考虑了常规获取类对象的手段, 然而还可以通过序列化和反射机制获取对象.上面两种方式如果实现了序列化接口 Serializable 就必须重写 readResolve() 方法

1
2
3

private Object readResolve(){
    return INSTANCE;
}

即使重写了 readResolve() 方法也会涉及某系域需要关键字 transient 的修饰, 具体讨论不再展开, 总之涉及序列化挺蛋疼.

关于防止反射暂时没有深入了解, 据了解: 因为反射的某些地方绕过了java机制的限制，private只在编译时进行权限的限制，但是在运行时是不存在这种权限的限制的, 此处仅供参考.

但是使用enum实现的单例自带防序列化与防反射功能, 详细参照枚举类反编译后代码(供参考)

public abstract class Singleton extends Enum
{

    private Singleton(String s, int i)
    {
        super(s, i);
    }

    public static Singleton[] values()
    {
        Singleton asingleton[];
        int i;
        Singleton asingleton1[];
        System.arraycopy(asingleton = ENUM$VALUES, 0, asingleton1 = new Singleton[i = asingleton.length], 0, i);
        return asingleton1;
    }

    public static Singleton valueOf(String s)
    {
        return (Singleton)Enum.valueOf(singleton/Singleton, s);
    }

    Singleton(String s, int i, Singleton singleton)
    {
        this(s, i);
    }

    public static final Singleton INSTANCE;
    private static final Singleton ENUM$VALUES[];

    static 
    {
        INSTANCE = new Singleton("INSTANCE", 0) ;
        ENUM$VALUES = (new Singleton[] {
            INSTANCE
        });
    }
}

我们实现的枚举都是继承了 java.lang.Enum 可以看出来单例的实现也是通过关键字 static 修饰的静态初始化块来实现.

那么为什么enum可以防御反射呢…很简单, 因为它是一个抽象类 public abstract class Singleton extends Enum 即使是反射机制也不能实例化了.

有为什么能防御序列化呢…这个要看java源码中对于对象序列化的处理.

java.io.ObjectOutputStream

private void writeObject0(Object obj, boolean unshared){
    ...
    // remaining cases
    if (obj instanceof String) {
        writeString((String) obj, unshared);
    } else if (cl.isArray()) {
        writeArray(obj, desc, unshared);
    } else if (obj instanceof Enum) {
        writeEnum((Enum) obj, desc, unshared);
    } else if (obj instanceof Serializable) {
        writeOrdinaryObject(obj, desc, unshared);
    } else {
        if (extendedDebugInfo) {
            throw new NotSerializableException(cl.getName() + "\n" + debugInfoStack.toString());
        } else {
            throw new NotSerializableException(cl.getName());
        }
    }
}

/**
* Writes given enum constant to stream.
*/
private void writeEnum(Enum en, ObjectStreamClass desc, boolean unshared) throws IOException {
    bout.writeByte(TC_ENUM);
    ObjectStreamClass sdesc = desc.getSuperDesc();
    writeClassDesc((sdesc.forClass() == Enum.class) ? desc : sdesc, false);
    handles.assign(unshared ? null : en);
    writeString(en.name(), false);
}

可以看出enum在被序列化时时经过特殊处理的, 被序列化的仅仅是枚举的名字而已.所以可以猜测一下反序列的的代码实现

 java.io.ObjectOutputStream
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
    ...
    switch (tc) {
        ...
        case TC_ENUM:
        return checkResolve(readEnum(unshared));
        ...
    }
    ...
}

/**
 * Reads in and returns enum constant, or null if enum type is
 * unresolvable.  Sets passHandle to enum constant's assigned handle.
 */
private Enum readEnum(boolean unshared) throws IOException {
    ...
    if (cl != null) {
        try {
            en = Enum.valueOf(cl, name);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw (IOException) new InvalidObjectException(
                "enum constant " + name + " does not exist in " +
                cl).initCause(ex);
        }
        if (!unshared) {
            handles.setObject(enumHandle, en);
        }
    }
    ...
    return en;
}

反序列化也仅仅是通过name调用了方法

1	Enum.valueOf(Class<T> enumType, String name)

获取了一个枚举实例, 所以枚举也可以防止通过序列化产生新的单例.

友情建议: 在序列化枚举时要特别注意, 枚举的名称一定不能改变, 否则在反序列化时有可能会抛出异常!!!

public static <T extends Enum<T>> T valueOf(Class<T> enumType,
                                            String name) {
    T result = enumType.enumConstantDirectory().get(name);
    if (result != null)
        return result;
    if (name == null)
        throw new NullPointerException("Name is null");
    throw new IllegalArgumentException(
        "No enum constant " + enumType.getCanonicalName() + "." + name);
}

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