单例模式

设计模式

第一版

为什么这样写呢？我们来解释几个关键点：

1.要想让一个类只能构建一个对象，自然不能让它随便去做new操作，因此Signleton的构造方法是私有的。

2.instance是Singleton类的静态成员，也是我们的单例对象。它的初始值可以写成Null，也可以写成new Singleton()。至于其中的区别后来会做解释。

3.getInstance是获取单例对象的方法。

如果单例初始值是null，还未构建，则构建单例对象并返回。这个写法属于单例模式当中的懒汉模式。

如果单例对象一开始就被new Singleton()主动构建，则不再需要判空操作，这种写法属于饿汉模式。

但第一版不是线程安全的

假设Singleton类刚刚被初始化，instance对象还是空，这时候两个线程同时访问getInstance方法：

因为Instance是空，所以两个线程同时通过了条件判断，开始执行new操作：

这样一来，显然instance被构建了两次。让我们对代码做一下修改：

第二版

 //单例模式
    private static  Singleton instance = null; // 单例对象
    private Singleton(){} // 私有构造函数
    //静态工厂方法
    public static  Singleton getInstance(){
        if (instance == null) {  //双重检测机制
            synchronized (Singleton.class) { //同步锁
                if (instance == null) { //双重检测机制
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return  instance;
    }

为什么这样写呢？我们来解释几个关键点：

1.为了防止new Singleton被执行多次，因此在new操作之前加上Synchronized 同步锁，锁住整个类（注意，这里不能使用对象锁）。

2.进入Synchronized 临界区以后，还要再做一次判空。因为当两个线程同时访问的时候，线程A构建完对象，线程B也已经通过了最初的判空验证，不做第二次判空的话，线程B还是会再次构建instance对象。

像这样两次判空的机制叫做双重检测机制。

第二版还是有个漏铜，就是指令重排序

假设这样的场景，当两个线程一先一后访问getInstance方法的时候，当A线程正在构建对象，B线程刚刚进入方法：

这种情况表面看似没什么问题，要么Instance还没被线程A构建，线程B执行 if（instance == null）的时候得到true；要么Instance已经被线程A构建完成，线程B执行 if（instance == null）的时候得到false。

真的如此吗？答案是否定的。这里涉及到了JVM编译器的指令重排。

指令重排是什么意思呢？比如java中简单的一句 instance = new Singleton，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 

当线程A执行完1,3,时，instance对象还未完成初始化，但已经不再指向null。此时如果线程B抢占到CPU资源，执行 if（instance == null）的结果会是false，从而返回一个没有初始化完成的instance对象。如下图所示：

如何避免这一情况呢？我们需要在instance对象前面增加一个修饰符volatile。

第三版

 //单例模式
    private static  volatile Singleton instance = null; // 单例对象
    private Singleton(){} // 私有构造函数
    //静态工厂方法
    public static  Singleton getInstance(){
        if (instance == null) {  //双重检测机制
            synchronized (Singleton.class) { //同步锁
                if (instance == null) { //双重检测机制
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return  instance;
    }

经过volatile的修饰，当线程A执行instance = new Singleton的时候，JVM执行顺序是什么样？始终保证是下面的顺序：

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 

如此在线程B看来，instance对象的引用要么指向null，要么指向一个初始化完毕的Instance，而不会出现某个中间态，保证了安全。

其他实现单例模式方法

用静态内部类实现单例模式

package design_mode.singleton20180725;
public class Singleton2 {
    private static class SingletonFactory{
        private  static final Singleton2 instance = new Singleton2();
    }
    private Singleton2(){}
    public static Singleton2 getInstance(){
        return SingletonFactory.instance;
    }
}

这里有几个需要注意的点：

1.从外部无法访问静态内部类SingletonFactory，只有当调用SingletonFactory.getInstance方法的时候，才能得到单例对象instance。

2.instance对象初始化的时机并不是在单例类Singleton2被加载的时候，而是在调用getInstance方法，使得静态内部类SingletonFactory被加载的时候。因此这种实现方式是利用classloader的加载机制来实现懒加载，并保证构建单例的线程安全。

如何防止通过反射来重复构造对象？？

静态内部类的实现方式，还是前面的单例模式实现都一样，无法防止利用反射来重复构造对象。

利用反射打破单例：

    //利用反射打破单例
        //获得构造器
        Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
        //设置为可访问
        constructor.setAccessible(true);
        //构造两个不同的对象
        Singleton singleton1 = constructor.newInstance();
        Singleton singleton2 = constructor.newInstance();
        //验证是否是不同对象
        System.out.println(singleton1.equals(singleton2));

用枚举实现单例模式：

public enum Singleton3 {
    INSTANCE;
}

JVM会阻止反射获取枚举类的私有构造方法，使用枚举类实现单例模式不仅能够防止反射构造对象，而且可以保证线程安全。有一个唯一缺点就是，它并非使用懒加载 ，其单例对象实在枚举类被加载的时候进行初始化的。

几点补充：

1. volatile关键字不但可以防止指令重排，也可以保证线程访问的变量值是主内存中的最新值。

2.使用枚举实现的单例模式，不但可以防止利用反射强行构建单例对象，而且可以在枚举类对象被反序列化的时候，保证反序列的返回结果是同一对象。

对于其他方式实现的单例模式，如果既想要做到可序列化，又想要反序列化为同一对象，则必须实现readResolve方法。