headfirst设计模式（6）—单例模式

前言

这一章的课题看起来就很和蔼可亲了，比起前面绕的我不要不要的工厂模式，那感觉真是太好了，但是正是因为简单，那么问题就来了，我怎么才能把这个东西叙述清楚？怎么样才能老少咸宜呢？

如何能够在把这个东西讲清楚的同时，引入一些新的东西让这个设计模式能显得不那么普通呢？我不知道能不能做到，不过，吹x马上开始

首先，还是贴一波HeadFirst源码地址：

github地址：https://github.com/bethrobson/Head-First-Design-Patterns

单例入门浅析

HeadFirst的原文是由一个巧克力锅炉的例子引入了经典的单例模式，具体例子不赘述，直接进入经典单例模式的贴代码环节（注意：以下所有代码为了方便区分和源代码稍有不同）

经典的单例模式（线程不安全）：

public class ClassicSingleton {
    private static ClassicSingleton UNIQUE_INSTANCE;

    private ClassicSingleton() {
    }

    public static ClassicSingleton getInstance() {
        if (UNIQUE_INSTANCE == null) {
            UNIQUE_INSTANCE = new ClassicSingleton();
        }
        return UNIQUE_INSTANCE;
    }

    public String getDescription() {
        return "I'm a classic ClassicSingleton!";
    }
}

首先来说，为什么它是一个非常适合入门的单例？

因为它确实很简单，这段代码用一段话来描述就是：保证需要使用的对象在内存中的唯一性

个人觉得，这个就是单例的核心思想，后面各种单例模式都是为了这个操作在做各种各样的努力，只是实现的优劣之分而已。

再来聊聊为什么不推荐使用？

因为这个写法是一个线程不安全的，多线程下会有问题。所以这里用词是不推荐，万一你的用法就是单线程呢？这样写也没问题，so，只要能符合业务，通俗易懂，那么它就没有问题。老生常谈的问题，没有最好的，只有最适合的，简单高效才是硬道理，个人认为设计模式也只是为了辅助达成这个目标吧

记得我刚实习的时候，看网上的单例要用volatile， 要用synchronized，看得我那真是一愣一愣的，当时我synchronized，知道是干啥的，但是用得上，volatile，还要靠百度才知道是个啥。本着追求牛X技术的心情，直接就拷了一个个人感觉最牛X的volatile双重判断的写法上去。其实当时并不明白其中原理，只是觉得很牛X而已，幸好没出什么生产环境的bug，也是万幸。

不知道原理的代码是很恐怖的，因为这个东西有些可能是没有通过时间，业务检验的，即便是通过了测试，只要生产环境出问题，那就是毁灭性的（别问我怎么知道的）。技术是为了支撑业务，而不是为了炫技，写出简单，易用，高效的代码才是技术应该做的事情（当然并非是不鼓励尝试新技术，只是需要控制在一个可控的范围内）

打个比方，我写了一个处理权限的功能，其他人需要接进来的时候，我告诉他们，你们要去配一个xml文件，properties文件里面加两个参数，最后使用的时候，要调用xx方法，他们第一感觉就是，你写的这个太难用了。如果你告诉他们，把这个包引进去加个注解就可以了，其他的都不用管呢？是不是感觉完全不一样？

我擦，扯远了，总的来说就是它适合用于学习，不适合用于商业，那么有没有适合用于商业的呢？当然有，网上文章一大堆

第一种，简单粗暴的线程安全

public class ThreadSafeSingleton {
    private static ThreadSafeSingleton UNIQUE_INSTANCE;

    private ThreadSafeSingleton() {
    }

    public static synchronized ThreadSafeSingleton getInstance() {
        if (UNIQUE_INSTANCE == null) {
            UNIQUE_INSTANCE = new ThreadSafeSingleton();
        }
        return UNIQUE_INSTANCE;
    }

    public String getDescription() {
        return "I'm a thread safe singleton!";
    }

}

效率很低，但是能用，依然是不推荐的类型，有的朋友可能要问了，那不推荐你写出来干啥？

它还是有优势的，它理解起来真的很简单，同时编程也不复杂，这个不就是我们一直追寻的东西吗？如果一个问题没有更好的解决方案，那么理解简单，编程简单的方案也不失为一个方案吧？至少能看懂啊

当然单例模式这里确实是不推荐的，因为我知道的还有至少3种比它好，所以不推荐

第二种，使用静态初始化变量

public class StaticallyInitializedSingleton {
    private static StaticallyInitializedSingleton UNIQUE_INSTANCE = new StaticallyInitializedSingleton();

    private StaticallyInitializedSingleton() {}

    public static StaticallyInitializedSingleton getInstance() {
        return UNIQUE_INSTANCE;
    }

    public String getDescription() {
        return "I'm a statically initialized ClassicSingleton!";
    }
}

这种算是最推荐的写法了，首先它写法简单，其次线程安全问题可以通过jvm去保证（每个类的静态变量在jvm中只会被初始化一次），最后，获取单例类的操作没有加锁处理，性能很高

但是，它也不是没有问题，一般来说，需要单例的类都比较耗性能，创建了不用还是比较伤的（当然，有的时候，有钱能解决很多这样的问题），还有一种可能是如果在初始化类的时候，创建单例类失败了，那这个类里面所有的方法都没法用了，如果在spring的环境下，再有一个@Component之类的注解，或者能够被spring扫描到的其他操作那就更好玩了，可能项目都启动不起来。

这个东西就要看这个单例对于项目是不是强依赖了，仁者见仁智者见智了，此处就不赘述，不然又要跑偏了

第三种，双重加锁检查

public class DoubleCheckSingleton {
    private volatile static DoubleCheckSingleton UNIQUE_INSTANCE;

    private DoubleCheckSingleton() {}

    public static DoubleCheckSingleton getInstance() {
        if (UNIQUE_INSTANCE == null) {
            synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {
                if (UNIQUE_INSTANCE == null) {
                    UNIQUE_INSTANCE = new DoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        return UNIQUE_INSTANCE;
    }
    public String getDescription() {
        return "I'm a double check singleton!";
    }
}

这个就是个人觉得一看就是很牛X的那种写法，当然，它的各方面也都是相当优秀的，线程安全，容错，性能都不错

但是，如果对它的理解比较模糊的话，那么写的时候是很容易写掉一些重点的东西的，举两个点：

1，静态变量里面的volatile容易写掉吧？

2，synchronized里面那个判空容易写掉吧？

对于2这点，我是深有体会的，如果A，B线程同时调用getInstance()方法，假设UNIQUE_INSTANCE还没有初始化，同时A线程先进入synchronized块，没有if null判断，那么它就new了一个对象出来吧，当A执行完了以后释放了锁，这个时候B就会进入，没有if null判断，B也new一个对象出来，这就有问题了啊。

对于1这点，如果不理解volatile，是很容易写掉的，毕竟，如果能很好的理解第2点的话，就会感觉，不加这啥volatile感觉也没啥问题啊，双重锁稳的不行啊。但是不加还真有可能有问题

先说说volatile一般的作用：禁止指令重排序，内存可见性

这里的作用是禁止指令重排序，在创建对象并访问的过程中，可以分为4个步骤：

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
instance.invoke()       //4：初次访问对象

只要保证在访问对象之前完成1,2,3，对于Java语言规范来说都是允许的，所以这里2和3是可以重排序的，但是多线程的情况下，假如A线程正在进行对象初始化，B线程可能会在第一个if null判断的时候拿到一个不为空，但是还没有初始化完成的对象（2,3被重排序），然后就会出现一些未知的错误

如果使用volatile的话，那么2,3就不会重排序，即使有其他线程拿到对象，也就说明，肯定是已经执行了2,3两步，不然的话if null判断肯定是空

这里是参考了一位大佬的文章：

https://www.infoq.cn/article/double-checked-locking-with-delay-initialization

单例模式的破解与防御

前面大量的篇幅用来说明了怎么在多线程的情况下保证单例模式，这里讲讲怎么从语法层面上来保证。

首先，语法层面上保证单例的一般操作是这样的：

    private StaticallyInitializedSingleton() {
    }

相当于告诉所有人，这个类只能我自己初始化，你们别搞事情哈，但是它并不是牢不可破的

第一种，使用反射机制

public class SingletonClient {
    public static void main(String[] args)
            throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException, InterruptedException {

        Constructor cons = StaticallyInitializedSingleton.class.getDeclaredConstructor(null);
        cons.setAccessible(true);
        StaticallyInitializedSingleton singleton = (StaticallyInitializedSingleton)cons.newInstance(null);
        System.out.println(singleton.getDescription());
    }
}

这种操作怎么防御呢？可以去控制它的类只能初始化一次，具体的操作可以这样：

public class StaticallyInitializedSingleton implements Serializable{
    private static StaticallyInitializedSingleton UNIQUE_INSTANCE = new StaticallyInitializedSingleton();

    private static boolean INITIALIZED;
    private StaticallyInitializedSingleton() {
        if(INITIALIZED){
            throw new RuntimeException();
        }
        INITIALIZED = true;
    }

    public static StaticallyInitializedSingleton getInstance() {
        return UNIQUE_INSTANCE;
    }

    public String getDescription() {
        return "I'm a statically initialized ClassicSingleton!";
    }
}

在类构造函数中，添加标记INITIALIZED，标明是否已经初始化如果已经初始化，那么就抛出异常。这里因为反射调用的时候，也会先去初始化类，初始化类的时候，就会在静态变量赋值的时候触发创建一次对象，等到反射调用newInstance的时候，就会报错

第二种，使用Java的序列化与反序列化

当然，首先要实现Serializable接口，不然也没有这个问题

public class SerializeTest {

    public static void main(String [] args) throws IOException, ClassNotFoundException {

      StaticallyInitializedSingleton s = StaticallyInitializedSingleton.getInstance();
      ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(new File("E:/test.txt")));
      objectOutputStream.writeObject(s);

      ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("E:/test.txt"));
      StaticallyInitializedSingleton s1 = (StaticallyInitializedSingleton)ois.readObject();

      System.out.println(s);
      System.out.println(s1);
    }
}

执行结果就会发现s，s1不是一致的，解决这种情况，需要在单例类中加入readResolve()方法来控制，JVM在反序列化的时候，使用我们自定义的类作为结果

public class StaticallyInitializedSingleton implements Serializable {
    private static StaticallyInitializedSingleton UNIQUE_INSTANCE = new StaticallyInitializedSingleton();

    private static boolean INITIALIZED;
    private StaticallyInitializedSingleton() {
        if(INITIALIZED){
            throw new RuntimeException();
        }
        INITIALIZED = true;
    }

    public static StaticallyInitializedSingleton getInstance() {
        return UNIQUE_INSTANCE;
    }

    public String getDescription() {
        return "I'm a statically initialized ClassicSingleton!";
    }

    //解决序列化与反序列化问题
    private Object readResolve(){
        return uniqueInstance;
    }
}

花了这么多功夫，终于解决了，那么实际开发中，有没有必要这样去处理这些问题呢？

这个我给不出答案，可以给出的参考有两个：1，编程成本；2，程序边界

通俗点讲就是：1，改这个要花多久时间（编写，测试，上线）；2，不按规范来调用，是不是程序需要关注地方

当然，有没有一劳永逸的方法来解决各种各样问题，并且编写简单，容易理解呢？

请看：

public enum Singleton {
  INSTANCE;
  public String getDescription() {
    return "枚举单例，就是这么简单";
  }
}

没错，枚举类，是不是感觉比上面所有都简单；)