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初级必备：单例模式的7个问题

2022-08-01 11:55:00 【JackieZhengChina】

故事

实话实说，关于单例模式，网上有N多个版本。你估计也看过很多版本。但看完了又能怎样？我技术群里的一位小伙伴，上周面试，就因为一个单例模式，然后叫他回去等通知了。

下面是这位同学被问到的问题：

1、说说单例模式的特点？

2、你知道单例模式的具体使用场景吗？

3、单例模式常见写法有几种？

4、怎么样保证线程安全？

5、怎么不会被反射攻击？

6、怎样保证不会被序列化和反序列化的攻击？

7、枚举为什么会不会被序列化？

.....

你也可以尝试行的回答这几个题，看看自己能回答上几个。

定义

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式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的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

特点：

1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例
4、隐藏所有的构造方法

**目的：**保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

案例：一家企业只能有一个CEO，有多个了其实乱套了。

使用场景

需要确保任何情况下都绝对只有一个实例。

比如：ServletContext、ServletConfig、ApplicationContext、DBTool等，都使用到了单列模式。

单例模式的写法

饿汉式
懒汉式（包含双重检查锁、静态内部类）
注册式（以枚举为例）

饿汉式

从名字上就能看出，饿汉：饿了就得先吃饱，所以，一开始就搞定了。

饿汉式主要是使用了static，饿汉式也有两种写法，但本质可以理解为是一样的。

public class HungrySingleton{

    private static final HungrySingleton INSTANCE;
    static {
        INSTANCE=new HungrySingleton();
    }
//    private static final HungrySingleton INSTANCE=new HungrySingleton();
    private HungrySingleton(){

    }

    public static HungrySingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

饿汉式有个致命的缺点：浪费空间，不需要也实例化。如果是成千上万个，也这么玩，想想有多恐怖。

于是，就会想到，能不能在使用的时候在实例化，从而引出了懒汉式。

懒汉式

顾名思义，就是需要的时候再创建，因为懒，你不调用我方法，我是不会干活的。

下面是懒汉式的Java代码实现：

public class LazySingleton {

    private static LazySingleton lazySingleton = null;

    private LazySingleton() {
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (lazySingleton == null) {//01
            lazySingleton = new LazySingleton();//02
        }
        return lazySingleton;
    } 
}

进入getInstance方法，先判断lazySingleton是否为空，为空，则创建一个对象，然后返回此对象。

但是，问题来了：

两个线程同时进入getInstance方法，然后都去执行01这行代码，都是true，然后各自进去创建一个对象，然后返回自己创建的对象。

这岂不是不满足只有唯一一个对象的了吗？所以这类存在线程安全的问题，那怎么解决呢？

第一印象肯定都是想到加锁。于是，就有了下面的线程安全的懒加载版本：

public class LazySingleton {

    private static LazySingleton lazySingleton = null;

    private LazySingleton() {
    }

    //简单粗暴的线程安全问题解决方案
    //依然存在性能问题
  public synchronized static LazySingleton getInstance() {
        if (lazySingleton == null) {
            lazySingleton = new LazySingleton();
        }
        return lazySingleton;
    }
}

给getInstance方法加锁同步锁标志synchronized，但是又涉及到锁的问题了，同步锁是对系统性能优影响的，尽管JDK1.6后，对其做了优化，但它毕竟还是涉及到锁的开销。

每个线程调用getInstance方法时候，都会涉及到锁，所以又对此进行了优化成为了大家耳熟能详的双重检查锁。

双重检查锁

代码实现如下：

public class LazyDoubleCheckSingleton { 
    private static LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null;

    private LazyDoubleCheckSingleton() {
    }

    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
        if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {//01
            synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
                if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {//02
                    lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        return lazyDoubleCheckSingleton;
    }

}

这段代码中，在01行，如果不为空，就直接返回，这是第一次检查。如果为空，则进入同步代码块，02行又进行一次检查。

双重检查就是现实if判断、获取类对象锁、if判断。

上面这段代码，看似没问题，其实还是有问题的，比如：指令重排序（需要有JVM知识垫底哈）

指令重排是什么意思呢？

比如java中简单的一句

lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();

会被编译器编译成如下JVM指令：

memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址

但是这些指令顺序并非一成不变，有可能会经过JVM和CPU的优化，指令重排成下面的顺序：

memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间
instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址
ctorInstance(memory); //2：初始化对象

为了防止指令重排序，所以，我们可以使用volatile来做文章（注意：volatile能防止指令重排序和线程可见性）。

于是，更好的版本就出来了。

public class LazyDoubleCheckSingleton {
    //使用volatile修饰
    private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null; 
    private LazyDoubleCheckSingleton() {
    }

    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
        if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
            synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
                if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
                    lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        return lazyDoubleCheckSingleton;
    }
}

尽管相比前面的版本，确实改进了很多，但依然有同步锁，还是会影响性能问题。于是，又进行优化为静态内部类方式：

静态内部类

下面是静态内部类的代码实现：

public class LazyStaticSingleton {


    private LazyStaticSingleton() {
    }

    public static LazyStaticSingleton getInstance() {
        return LazyHolder.LAZY_STATIC_SINGLETON;
    }

    //需要等到外部方法调用是猜执行
    //巧用内部类的特性
    //JVM底层执行，完美的规避了线程安全的问题
    private static class LazyHolder {
        private static final LazyStaticSingleton LAZY_STATIC_SINGLETON = new LazyStaticSingleton();
    }
}

利用了内部类的特性，在JVM底层，能完美的规避了线程安全的问题，这种方式也是目前很多项目里喜欢使用的方式。

但是，还是会存在潜在的风险，什么风险呢？

可以使用反射暴力的串改，同样也会出现创建多个实例：

反射代码实现如下：

import java.lang.reflect.Constructor;

public class LazyStaticSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Class<?> clazz = LazyStaticSingleton.class;
            Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
            //强行访问
            constructor.setAccessible(true);
            Object object = constructor.newInstance();

            Object object1 = LazyStaticSingleton.getInstance();

            System.out.println(object == object1);
        } catch (Exception ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
    }
}

这段代码运行结果为false。

所以，上面说的双重检查锁的方式，通过反射，还是会存在潜在的风险。怎么办呢？

在《Effect java 》这本书中，作者推荐使用枚举来实现单例模式，因为枚举不能被反射。

枚举

下面是枚举式的单例模式的代码实现：

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    private Object data;

    public Object getData() {
        return data;
    }

    public static EnumSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

我们把上面反射的那个代码，来测试这个枚举式单例模式。

public class EnumTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Class<?> clazz = EnumSingleton.class;
            Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
            //强行访问
            constructor.setAccessible(true);
            Object object = constructor.newInstance();

            Object object1 = EnumSingleton.getInstance();

            System.out.println(object == object1);
        } catch (Exception ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
    }
}

运行这段代码：

java.lang.NoSuchMethodException: com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.EnumSingleton.<init>()
 at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:3082)
 at java.lang.Class.getDeclaredConstructor(Class.java:2178)
 at com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.EnumTest.main(EnumTest.java:41)

还真的不能用反射来搞。如果此时面试官，为什么枚举不能被反射呢？

为什么枚举不能被反射呢？

我们在反射的代码中

  Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);

这行代码是获取他的无参构造方法。并且，从错误日志中，我们也可以看到，错误出现就是在getConstructor0方法中，并且，提示的是没有找到无参构造方法。

很奇怪，枚举也是类，不是说如果我们不给类显示定义构造方法时候，会默认给我们创建一个无参构造方法吗？

于是，我想到了一个办法，我们可以使用jad这个工具去反编译的我们的枚举式单例的.class文件。

找到我们的class文件所在目录，然后我们可以执行下面这个命令：

C:\Users\Administrator>jad D:\workspace\my_code\other-local-demo\target\classes
com\tian\my_code\test\designpattern\singleton\EnumSingleton.class
Parsing D:\workspace\my_code\other-local-demo\target\classes\com\tian\my_code\t
st\designpattern\singleton\EnumSingleton.class... Generating EnumSingleton.jad

注意：class文件目录以及生成的jad文件所在的目录。

然后打开EnumSingleton.jad 文件：

于是，我就想到了，那我们使用有参构造方法来创建：

public class EnumTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Class<?> clazz = EnumSingleton.class; 
            Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
            //强行访问
            constructor.setAccessible(true);
            Object object = constructor.newInstance("田维常",996);

            Object object1 = EnumSingleton.getInstance();

            System.out.println(object == object1);
        } catch (Exception ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
    }
}

再次运行这段代码，结果：

java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
 at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417)
 at com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.EnumTest.main(EnumTest.java:45)

提示很明显了，就是不让我们使用反射的方式创建枚举对象。

    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);
            }
        }
        //Modifier.ENUM就是用来判断是否为枚举的
        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;
    }

所以，到此，我们才算真正的理清楚了，为什么枚举不让反射的原因。

序列化破坏

我们以非线程安全的饿汉式来演示一下，看看序列化是如何破坏到了模式的。

public class ReflectTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个对象，singleton1接收从输入流中反序列化的实例
        HungrySingleton singleton1 = null;
        HungrySingleton singleton2 = HungrySingleton.getInstance();
        try {
            // 序列化
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("HungrySingleton.txt");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(singleton2);
            oos.flush();
            oos.close();

            // 反序列化
            FileInputStream fis = new FileInputStream("HungrySingleton.txt");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            singleton1 = (HungrySingleton) ois.readObject();
            ois.close();

            System.out.println(singleton1);
            System.out.println(singleton2);
            
            System.out.println(singleton1 == singleton2);

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

运行结果：

[email protected]6cbb7a
[email protected]2b3a41
false

看到了吗？

使用序列化是可以破坏到了模式的，这种方式，可能很多人不是很清楚。

如何防止呢？

我们对非线程安全的饿汉式代码进行稍微修改：

public class HungrySingleton implements Serializable{

    private static final HungrySingleton INSTANCE;
    static {
        INSTANCE=new HungrySingleton();
    } 
    private HungrySingleton(){

    }

    public static HungrySingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
    //添加了readResolve方法，并返回INSTANCE
    private Object readResolve方法，并返回(){
        return INSTANCE;
    }
}

再次运行上那段序列化测试的代码，其结果如下：

[email protected]2b3a41
[email protected]2b3a41
true

嘿嘿，这样我们是不是就避免了只创建了一个实例？

答案：否

在类ObjectInputStream的readObject()方法中调用了另外一个方法readObject0(false)方法。在readObject0(false)方法中调用了checkResolve(readOrdinaryObject(unshared))方法。

在readOrdinaryObject方法中有这么一段代码：

Object obj;
try { 
     //是否有构造方法，有构造放就创建实例
      obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
 } catch (Exception ex) {
 ... 
 }
//判断单例类是否有readResolve方法
if (desc.hasReadResolveMethod()) {
    Object rep = desc.invokeReadResolve(obj); 
}

//invokeReadResolve方法中
if (readResolveMethod != null) { 
    //调用了我们单例类中的readResolve，并返回该方法返回的对象
    //注意：是无参方法
     return readResolveMethod.invoke(obj, (Object[]) null);
}

绕了半天，原来他是这么玩的，上来就先创建一个实例，然后再去检查我们的单例类是否有readResolve无参方法，我们单例类中的readResolve方法

private Object readResolve(){
        return INSTANCE;
}

结论

我们重写了readResolve()无参方法，表面上看是只创建了一个实例，其实只创建了两个实例。

紧接着，面试官继续问：枚举式单例能不能被序列化破坏呢？

枚举式单例能不能被序列化破坏呢？

答案：不能被破坏，请看我慢慢给你道来。

don't talk ,show me the code。

我们先来验证一下是否真的不能被破坏，请看代码：

public class EnumTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个对象，singleton1接收从输入流中反序列化的实例
        EnumSingleton singleton1 = null;
        EnumSingleton singleton2 = EnumSingleton.getInstance();
        try {
            // 序列化
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(singleton2);
            oos.flush();
            oos.close();

            // 反序列化
            FileInputStream fis = new FileInputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            singleton1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
            ois.close();

            System.out.println(singleton1);
            System.out.println(singleton2);

            System.out.println(singleton1 == singleton2);

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

运行结果：

INSTANCE
INSTANCE
true

确实，枚举式单例是不会被序列化所破坏，那为什么呢？总得有个证件理由吧。

在类ObjectInputStream的readObject()方法中调用了另外一个方法readObject0(false)方法。在readObject0(false)方法中调用了checkResolve(readOrdinaryObject(unshared))方法。

 case TC_ENUM:
    return checkResolve(readEnum(unshared));

在readEnum方法中

private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException {
        if (bin.readByte() != TC_ENUM) {
            throw new InternalError();
        }
        Class<?> cl = desc.forClass();
        if (cl != null) {
            try {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                //重点
                Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name);
                result = en;
                //...其他代码省略
            }
        }
}
public static <T extends Enum<T>> T valueOf(Class<T> enumType,
                                                String name) {
       //enumType.enumConstantDirectory()返回的是一个HashMap
       //通过HashMap的get方法获取
        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);
}
//返回一个HashMap
 Map<String, T> enumConstantDirectory() {
        if (enumConstantDirectory == null) {
            T[] universe = getEnumConstantsShared();
            if (universe == null)
                throw new IllegalArgumentException(
                    getName() + " is not an enum type");
            //使用的是HashMap
            Map<String, T> m = new HashMap<>(2 * universe.length);
            for (T constant : universe)
                m.put(((Enum<?>)constant).name(), constant);
            enumConstantDirectory = m;
        }
        return enumConstantDirectory;
}

所以，枚举式单例模式是使用了Map<String, T>，Map的key就是我们枚举类中的INSTANCE。由于Map的key的唯一性，然后就缔造出唯一实例。江湖上也把这个枚举式单例模式叫做注册式单例模式。

在Spring中也是有大量使用这种注册式单例模式，IOC容器就是典型的代表。