8.2　使用单例模式解决实际问题

8.2.1　饿汉式单例写法的弊端

其实我们前面看到的单例模式通用写法，就是饿汉式单例的标准写法。饿汉式单例写法在类加载的时候立即初始化，并且创建单例对象。它绝对线程安全，在线程还没出现之前就实例化了，不可能存在访问安全问题。饿汉式单例还有另外一种写法，代码如下。

这种写法使用静态块的机制，非常简单也容易理解。饿汉式单例写法适用于单例对象较少的情况。这样写可以保证绝对线程安全，执行效率比较高。但是它的缺点也很明显，就是所有对象类在加载的时候就实例化。这样一来，如果系统中有大批量的单例对象存在，而且单例对象的数量也不确定，则系统初始化时会造成大量的内存浪费，从而导致系统内存不可控。也就是说，不管对象用或不用，都占着空间，浪费了内存，有可能占着内存又不使用。那有没有更优的写法呢？我们继续分析。

8.2.2　还原线程破坏单例的事故现场

为了解决饿汉式单例写法可能带来的内存浪费问题，于是出现了懒汉式单例的写法。懒汉式单例写法的特点是单例对象在被使用时才会初始化。懒汉式单例写法的简单实现LazySimpleSingleton如下。

但这样写又带来了一个新的问题，如果在多线程环境下，则会出现线程安全问题。先来模拟一下，编写线程类ExectorThread。

编写客户端测试代码如下。

我们反复多次运行程序上的代码，发现会有一定概率出现两种不同结果，有可能两个线程获取的对象是一致的，也有可能两个线程获取的对象是不一致的。下图是两个线程获取的对象不一致的运行结果。

下图是两个线程获取的对象一致的结果。

显然，这意味着上面的单例模式存在线程安全隐患。那么这个结果是怎么产生的呢？我们来分析一下，如下图所示，如果两个线程在同一时间同时进入getInstance（）方法，则会同时满足if（null== instance）条件，创建两个对象。如果两个线程都继续往下执行后面的代码，则有可能后执行的线程的结果覆盖先执行的线程的结果。如果打印动作发生在覆盖之前，则最终得到的结果就是一致的；如果打印动作发生在覆盖之后，则得到两个不一样的结果。

当然，也有可能没有发生并发，完全正常运行。下面通过调试方式来更深刻地理解一下。这里教大家一种新技能，用线程模式调试，手动控制线程的执行顺序来跟踪内存的变化。先把ExectorThread类打上断点，如下图所示。

单击右键点击断点，切换为Thread模式，如下图所示。

然后把LazySimpleSingleton类也打上断点，同样标记为Thread模式，如下图所示。

切换回客户端测试代码，同样也打上断点，同时改为Thread模式，如下图所示。

在开始Debug之后，我们会看到Debug控制台可以自由切换Thread的运行状态，如下图所示。

通过不断切换线程，并观察其内存状态，我们发现在线程环境下LazySimpleSingleton被实例化了两次。有时候得到的运行结果可能是两个相同的对象，实际上是被后面执行的线程覆盖了，我们看到了一个假象，线程安全隐患依旧存在。那么，如何优化代码，使得懒汉式单例写法在线程环境下安全呢？来看下面的代码，给getInstance（）方法加上synchronized关键字，使这个方法变成线程同步方法。

我们再来调试。当执行其中一个线程并调用getInstance（）方法时，另一个线程在调用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，第二个线程才恢复到RUNNING状态继续调用getInstance（）方法，如下图所示。

这样，通过使用synchronized就解决了线程安全问题。

8.2.3　双重检查锁单例写法闪亮登场

在上一节中，我们通过调试的方式完美地展现了synchronized监视锁的运行状态。但是，如果在线程数量剧增的情况下，用synchronized加锁，则会导致大批线程阻塞，从而导致程序性能大幅下降。就好比是地铁进站限流，在寒风刺骨的冬天，所有人都在站前广场转圈圈，用户体验很不好，如下图所示。

那有没有办法优化一下用户体验呢？其实可以让所有人先进入进站大厅，然后增设一些进站闸口，这样用户体验变好了，进站效率也提高了。当然，在现实生活中可能会受到很多硬性条件的限制，但是在虚拟世界中是完全可以实现的。其实这就叫作双重检查，在进站门安检一次，进入大厅后在闸口检票处再检查一次，如下图所示。

我们来改造一下代码，创建LazyDoubleCheckSingleton类。

这样写就解决问题了吗？目测发现，其实这跟LazySimpleSingletion的写法并无差异，还是会大规模阻塞。那我们把判断条件往上提一级呢？

在运行代码后，还是会存在线程安全问题。运行结果如下图所示。

这是什么原因导致的呢？其实如果两个线程在同一时间都满足if（instance == null）条件，则两个线程都会执行synchronized块中的代码，因此，还是会创建两次。再优化一下代码。

我们进行断点调试，如下图所示。

当第一个线程调用getInstance（）方法时，第二个线程也可以调用。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LazyDoubleCheckSingleton类的阻塞，而是在getInstance（）方法内部的阻塞，只要逻辑不太复杂，对于调用者而言感觉不到。

8.2.4　看似完美的静态内部类单例写法

双重检查锁单例写法虽然解决了线程安全问题和性能问题，但是只要用到synchronized关键字就总是要上锁，对程序性能还是存在一定影响的。难道真的没有更好的方案吗？当然有。我们可以从类初始化的角度考虑，看下面的代码，采用静态内部类的方式。

这种方式兼顾了饿汉式单例写法的内存浪费问题和synchronized的性能问题。内部类一定要在方法调用之前被初始化，巧妙地避免了线程安全问题。由于这种方式比较简单，就不再一步步调试。但是，“金无足赤，人无完人”，单例模式亦如此。这种写法就真的完美了吗？

8.2.5　还原反射破坏单例模式的事故现场

我们来看一个事故现场。大家有没有发现，上面介绍的单例模式的构造方法除了加上private关键字，没有做任何处理。如果使用反射来调用其构造方法，再调用getInstance（）方法，应该有两个不同的实例。现在来看客户端测试代码，以LazyStaticInnerClassSingleton为例。

运行结果如下图所示。

显然，内存中创建了两个不同的实例。那怎么办呢？我们来做一次优化。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。优化后的代码如下。

再运行客户端测试代码，结果如下图所示。

至此，自认为最优雅的单例模式写法便大功告成了。但是，上面看似完美的单例写法还是值得斟酌的。在构造方法中抛出异常，显然不够优雅。那么有没有比静态内部类更优雅的单例写法呢？

8.2.6　更加优雅的枚举式单例写法问世

枚举式单例写法可以解决上面的问题。首先来看枚举式单例的标准写法，创建EnumSingleton类。

然后看客户端测试代码。

最后得到运行结果，如下图所示。

我们没有对代码逻辑做任何处理，但运行结果和预期一样。那么枚举式单例写法如此神奇，它的神秘之处体现在哪里呢？下面通过分析源码来揭开它的神秘面纱。

首先下载一个非常好用的Java反编译工具Jad，在解压后配置好环境变量（这里不做详细介绍），就可以使用命令行调用了。找到工程所在的Class目录，复制EnumSingleton.class所在的路径，如下图所示。

然后切换到命令行，切换到工程所在的Class目录，输入命令jad并输入复制好的路径，在Class目录下会多出一个EnumSingleton.jad文件。打开EnumSingleton.jad文件，我们惊奇地发现有如下代码。

原来，枚举式单例写法在静态块中就对INSTANCE进行了赋值，是饿汉式单例写法的实现。至此，我们还可以试想，序列化能否破坏枚举式单例写法呢？不妨再来看一下JDK源码，还是回到ObjectInputStream的readObject0（）方法。

我们看到，在readObject0（）中调用了readEnum（）方法，readEnum（）方法的代码实现如下。

由上可知，枚举类型其实通过类名和类对象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。那么反射是否能破坏枚举式单例写法的单例对象呢？来看客户端测试代码。

运行结果如下图所示。

结果中报出的是java.lang.NoSuchMethodException异常，意思是没找到无参的构造方法。此时，打开java.lang.Enum的源码，查看它的构造方法，只有一个protected类型的构造方法，代码如下。

再来做一个这样的测试。

运行结果如下图所示。

这时，错误已经非常明显了，“Cannot reflectively create enum objects”，即不能用反射来创建枚举类型。我们还是习惯性地想来看下JDK源码，进入Constructor的newInstance（）方法。

从上述代码可以看到，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，则直接抛出异常。这岂不是和静态内部类单例写法的处理方式有异曲同工之妙？对，但是我们在构造方法中写逻辑处理可能存在未知的风险，而JDK的处理是最官方、最权威、最稳定的。因此，枚举式单例写法也是Effective Java一书中推荐的一种单例模式写法。

到此为止，我们是不是已经非常清晰明了呢？JDK枚举的语法特殊性及反射也为枚举保驾护航，让枚举式单例写法成为一种更加优雅的实现。

8.2.7　还原反序列化破坏单例模式的事故现场

一个单例对象创建好后，有时候需要将对象序列化然后写入磁盘，当下次使用时再从磁盘中读取对象并进行反序列化，将其转化为内存对象。反序列化后的对象会重新分配内存，即重新创建。如果序列化的目标对象为单例对象，则违背了单例模式的初衷，相当于破坏了单例模式，来看一段代码。

编写客户端测试代码。

运行结果如下图所示。

从运行结果可以看出，反序列化后的对象和手动创建的对象是不一致的，被实例化了两次，违背了单例模式的设计初衷。那么，如何保证在序列化的情况下也能够实现单例模式呢？其实很简单，只需要增加readResolve（）方法即可。优化后的代码如下。

再看运行结果，如下图所示。

大家一定会想：这是什么原因呢？为什么要这样写？看上去很神奇的样子，也让人有些费解。不如一起来看JDK的源码实现以了解清楚。进入ObjectInputStream类的readObject（）方法，代码如下。

可以看到，在readObject（）方法中又调用了重写的readObject0（）方法。进入readObject0（）方法，源码如下。

我们看到TC_OBJECT中调用了ObjectInputStream的readOrdinaryObject（）方法，源码如下。

我们发现调用了ObjectStreamClass的isInstantiable（）方法，而isInstantiable（）方法的源码如下。

上述代码非常简单，就是判断一下构造方法是否为空。如果构造方法不为空，则返回true。这意味着只要有无参构造方法就会实例化。

这时候其实还没有找到加上readResolve（）方法就可以避免单例模式被破坏的真正原因。再回到ObjectInputStream的readOrdinaryObject（）方法，继续往下看源码。

在判断无参构造方法是否存在之后，又调用了hasReadResolveMethod（）方法，源码如下。

上述代码的逻辑非常简单，就是判断readResolveMethod是否为空，如果不为空，则返回true。那么readResolveMethod是在哪里被赋值的呢？通过全局查找知道，在私有方法ObjectStreamClass（）中对readResolveMethod进行了赋值，源码如下。

上面的逻辑其实就是通过反射找到一个无参的readResolve（）方法，并且保存下来。再回到ObjectInputStream的readOrdinaryObject（）方法，继续往下看，如果readResolve（）方法存在，则调用invokeReadResolve（）方法，代码如下。

可以看到，在invokeReadResolve（）方法中用反射调用了readResolveMethod方法。

通过JDK源码分析可以看出，虽然增加readResolve（）方法返回实例解决了单例模式被破坏的问题，但是实际上单例对象被实例化了两次，只不过新创建的对象没有被返回而已。如果创建对象的动作发生频率加快，则意味着内存分配开销也会随之增大，难道真的就没办法从根本上解决问题吗？其实，枚举式单例写法也是能够避免这个问题发生的，因为它在类加载的时候就已经创建好了所有的对象。

8.2.8　使用容器式单例写法解决大规模生产单例的问题

虽然枚举式单例写法更加优雅，但是也会存在一些问题。因为它在类加载时将所有的对象初始化都放在类内存中，这其实和饿汉式单例写法并无差异，不适合大量创建单例对象的场景。接下来看注册式单例模式的另一种写法，即容器式单例写法，创建ContainerSingleton类。

容器式单例写法适用于需要大量创建单例对象的场景，便于管理，但它是非线程安全的。到此，注册式单例写法介绍完毕。再来看Spring中的容器式单例写法的源码。

从上面代码来看，存储单例对象的容器其实就是一个Map。

8.2.9　ThreadLocal单例详解

最后赠送大家一个彩蛋，线程单例实现ThreadLocal。ThreadLocal不能保证其创建的对象是全局唯一的，但能保证在单个线程中是唯一的，是线程安全的。下面来看代码。

客户端测试代码如下。

运行结果如下图所示。

由上图可知，在主线程中无论调用多少次，获取的实例都是同一个，都在两个子线程中分别获取了不同的实例。那么，ThreadLocal是如何实现这样的效果的呢？我们知道，单例模式为了达到线程安全的目的，会给方法上锁，以时间换空间。ThreadLocal将所有对象全部放在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隔离的。