我给面试官讲解了单例模式后，他对我竖起了大拇指！

浅浅的花香味﹌ 2023-10-10 14:36 13阅读 0赞

单例模式相信大家都有所听闻，甚至也写过不少了，在面试中也是考得最多的其中一个设计模式，面试官常常会要求写出两种类型的单例模式并且解释其原理，废话不多说，我们开始学习如何很好地回答这一道面试题吧。

1. 什么是单例模式  
面试官问什么是单例模式时，千万不要答非所问，给出单例模式有两种类型之类的回答，要围绕单例模式的定义去展开。

单例模式是指在内存中只会创建且仅创建一次对象的设计模式。在程序中多次使用同一个对象且作用相同时，为了防止频繁地创建对象使得内存飙升，单例模式可以让程序仅在内存中创建一个对象，让所有需要调用的地方都共享这一单例对象。

![image.png][]

2. 单例模式的类型  
单例模式有两种类型：

懒汉式：在真正需要使用对象时才去创建该单例类对象  
饿汉式：在类加载时已经创建好该单例对象，等待被程序使用  
懒汉式创建单例对象  
懒汉式创建对象的方法是在程序使用对象前，先判断该对象是否已经实例化（判空），若已实例化直接返回该类对象。，否则则先执行实例化操作。

![image.png][image.png 1]

根据上面的流程图，就可以写出下面的这段代码

public class Singleton {
        
        private static Singleton singleton;
        
        private Singleton(){}
        
        public static Singleton getInstance() {
            if (singleton == null) {
                singleton = new Singleton();
            }
            return singleton;
        }
        
    }

没错，这里我们已经写出了一个很不错的单例模式，不过它不是完美的，但是这并不影响我们使用这个“单例对象”。

以上就是懒汉式创建单例对象的方法，我会在后面解释这段代码在哪里可以优化，存在什么问题。

饿汉式创建单例对象  
饿汉式在类加载时已经创建好该对象，在程序调用时直接返回该单例对象即可，即我们在编码时就已经指明了要马上创建这个对象，不需要等到被调用时再去创建。

关于类加载，涉及到JVM的内容，我们目前可以简单认为在程序启动时，这个单例对象就已经创建好了。

![image.png][image.png 2]

public class Singleton{
        
        private static final Singleton singleton = new Singleton();
        
        private Singleton(){}
        
        public static Singleton getInstance() {
            return singleton;
        }
    }

注意上面的代码在第3行已经实例化好了一个Singleton对象在内存中，不会有多个Singleton对象实例存在

类在加载时会在堆内存中创建一个Singleton对象，当类被卸载时，Singleton对象也随之消亡了。

3. 懒汉式如何保证只创建一个对象  
我们再来回顾懒汉式的核心方法

public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }

这个方法其实是存在问题的，试想一下，如果两个线程同时判断singleton为空，那么它们都会去实例化一个Singleton对象，这就变成双例了。所以，我们要解决的是**线程安全**问题。

![image.png][image.png 3]

最容易想到的解决方法就是在方法上加锁，或者是对类对象加锁，程序就会变成下面这个样子

public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
    // 或者
    public static Singleton getInstance() {
        synchronized(Singleton.class) {   
            if (singleton == null) {
                singleton = new Singleton();
            }
        }
        return singleton;
    }

这样就规避了两个线程同时创建Singleton对象的风险，但是引来另外一个问题：每次去获取对象都需要先获取锁，并发性能非常地差，极端情况下，可能会出现卡顿现象。

接下来要做的就是优化性能，目标是：如果没有实例化对象则加锁创建，如果已经实例化了，则不需要加锁，直接获取实例

所以直接在方法上加锁的方式就被废掉了，因为这种方式无论如何都需要先获取锁

public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {  // 线程A和线程B同时看到singleton = null，如果不为null，则直接返回singleton
            synchronized(Singleton.class) { // 线程A或线程B获得该锁进行初始化
                if (singleton == null) { // 其中一个线程进入该分支，另外一个线程则不会进入该分支
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }

上面的代码已经完美地解决了并发安全+性能低效问题：

第2行代码，如果singleton不为空，则直接返回对象，不需要获取锁；而如果多个线程发现singleton为空，则进入分支；  
第3行代码，多个线程尝试争抢同一个锁，只有一个线程争抢成功，第一个获取到锁的线程会再次判断singleton是否为空，因为singleton有可能已经被之前的线程实例化  
其它之后获取到锁的线程在执行到第4行校验代码，发现singleton已经不为空了，则不会再new一个对象，直接返回对象即可  
之后所有进入该方法的线程都不会去获取锁，在第一次判断singleton对象时已经不为空了

因为需要两次判空，且对类对象加锁，该懒汉式写法也被称为：Double Check（双重校验） + Lock（加锁）

完整的代码如下所示：

public class Singleton {
        
        private static Singleton singleton;
        
        private Singleton(){}
        
        public static Singleton getInstance() {
            if (singleton == null) {  // 线程A和线程B同时看到singleton = null，如果不为null，则直接返回singleton
                synchronized(Singleton.class) { // 线程A或线程B获得该锁进行初始化
                    if (singleton == null) { // 其中一个线程进入该分支，另外一个线程则不会进入该分支
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }
        
    }

上面这段代码已经近似完美了，但是还存在最后一个问题：指令重排

4. 使用volatile防止指令重排  
创建一个对象，在JVM中会经过三步：

（1）为singleton分配内存空间

（2）初始化singleton对象

（3）将singleton指向分配好的内存空间

指令重排序是指：JVM在保证最终结果正确的情况下，可以不按照程序编码的顺序执行语句，尽可能提高程序的性能

在这三步中，第2、3步有可能会发生指令重排现象，创建对象的顺序变为1-3-2，会导致多个线程获取对象时，有可能线程A创建对象的过程中，执行了1、3步骤，线程B判断singleton已经不为空，获取到未初始化的singleton对象，就会报NPE异常。文字较为晦涩，可以看流程图：

![image.png][image.png 4]

使用volatile关键字可以防止指令重排序，其原理较为复杂，这篇博客不打算展开，可以这样理解：使用volatile关键字修饰的变量，可以保证其指令执行的顺序与程序指明的顺序一致，不会发生顺序变换，这样在多线程环境下就不会发生NPE异常了。

volatile还有第二个作用：使用volatile关键字修饰的变量，可以保证其内存可见性，即每一时刻线程读取到该变量的值都是内存中最新的那个值，线程每次操作该变量都需要先读取该变量。  
最终的代码如下所示：

public class Singleton {
        
        private static volatile Singleton singleton;
        
        private Singleton(){}
        
        public static Singleton getInstance() {
            if (singleton == null) {  // 线程A和线程B同时看到singleton = null，如果不为null，则直接返回singleton
                synchronized(Singleton.class) { // 线程A或线程B获得该锁进行初始化
                    if (singleton == null) { // 其中一个线程进入该分支，另外一个线程则不会进入该分支
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }
        
    }

### 5. 破坏懒汉式单例与饿汉式单例 ###

无论是完美的懒汉式还是饿汉式，终究敌不过**反射和序列化**，它们俩都可以把单例对象破坏掉（产生多个对象）。

1：演示利用**反射**破坏单例模式

public static void main(String[] args) {
        // 获取类的显式构造器
        Constructor<Singleton> construct = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
        // 可访问私有构造器
        construct.setAccessible(true); 
        // 利用反射构造新对象
        Singleton obj1 = construct.newInstance(); 
        // 通过正常方式获取单例对象
        Singleton obj2 = Singleton.getInstance(); 
        System.out.println(obj1 == obj2); // false
    }

上述的代码一针见血了：利用反射，强制访问类的私有构造器，去创建另一个对象

2：利用**序列化与反序列化**破坏单例模式

public static void main(String[] args) {
        // 创建输出流
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("Singleton.file"));
        // 将单例对象写到文件中
        oos.writeObject(Singleton.getInstance());
        // 从文件中读取单例对象
        File file = new File("Singleton.file");
        ObjectInputStream ois =  new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();
        // 判断是否是同一个对象
        System.out.println(newInstance == Singleton.getInstance()); // false
    }

两个对象地址不相等的原因是：readObject() 方法读入对象时，它必定会返回一个新的对象实例，必然指向新的内存地址。

6. 能让面试官鼓掌的枚举实现  
我们已经掌握了懒汉式与饿汉式的常见写法了，在《大话设计模式》中的单例模式章节也止步于此。但是，追求极致的我们，怎么能够止步于此，在《Effective Java》书中，给出了终极解决方法，话不多说，学完下面，真的不虚面试官考你了。

在 JDK1.5 后，使用 Java 语言实现单例模式的方式又多了一种：枚举

我们先来看看枚举如何实现单例模式的，如下代码：

public enum Singleton {
        INSTANCE;
        
        public void doSomething() {
            System.out.println("这是枚举类型的单例模式！");
        }
    }

需要思考：使用枚举实现单例模式的优势在哪里？

我们从最直观的地方入手，第一眼看到这几行代码，就会感觉到“少”，没错，就是少，虽然这优势有些牵强，但写的代码越少，越不容易出错。

优势1：代码对比饿汉式与懒汉式来说，更加地简洁

其次，既然是实现单例模式，那这种写法必定满足单例模式的要求，而且使用枚举实现时，没有做任何额外的处理。

优势2：它不需要做任何额外的操作去保证对象单一性与线程安全性

我写了一段测试代码放在下面，这一段代码可以证明程序启动时仅会创建一个 Singleton 对象，且是线程安全的。

我们可以简单地理解枚举实现单例的过程：在程序启动时，会调用Singleton的空参构造器，实例化好一个Singleton对象赋给INSTANCE，之后再也不会实例化

public enum Singleton {
        INSTANCE;
        Singleton() { System.out.println("枚举创建对象了"); }
        public static void main(String[] args) { /* test(); */ }
        public void test() {
            Singleton t1 = Singleton.INSTANCE;
            Singleton t2 = Singleton.INSTANCE;
            System.out.print("t1和t2的地址是否相同：" + t1 == t2);
        }
    }
    // 枚举创建对象了
    // t1和t2的地址是否相同：true

除了优势1和优势2，还有最后一个优势让枚举实现单例模式在目前看来已经是“无懈可击”了。

**优势3**：使用枚举可以防止调用者使用**反射**、**序列化与反序列化**机制强制生成多个单例对象，破坏单例模式。

防破坏的原理如下：

**（1）防反射**

![image-20200718213354831.png][]

枚举类默认继承了 Enum 类，在利用反射调用 newInstance() 时，会判断该类是否是一个枚举类，如果是，则抛出异常。

（2）防止反序列化创建多个枚举对象

在读入Singleton对象时，每个枚举类型和枚举名字都是唯一的，所以在序列化时，仅仅只是对枚举的类型和变量名输出到文件中，在读入文件反序列化成对象时，利用 Enum 类的 valueOf(String name) 方法根据变量的名字查找对应的枚举对象。

所以，在序列化和反序列化的过程中，只是写出和读入了枚举类型和名字，没有任何关于对象的操作。  
![image-20200718224707754.png][]

小总结：

（1）Enum 类内部使用Enum 类型判定防止通过反射创建多个对象

（2）Enum 类通过写出（读入）对象类型和枚举名字将对象序列化（反序列化），通过 valueOf() 方法匹配枚举名找到内存中的唯一的对象实例，防止通过反序列化构造多个对象

（3）枚举类不需要关注线程安全、破坏单例和性能问题，因为其创建对象的时机与饿汉式单例有异曲同工之妙。

7. 总结  
（1）单例模式常见的写法有两种：懒汉式、饿汉式

（2）懒汉式：在需要用到对象时才实例化对象，正确的实现方式是：Double Check + Lock，解决了并发安全和性能低下问题

（3）饿汉式：在类加载时已经创建好该单例对象，在获取单例对象时直接返回对象即可，不会存在并发安全和性能问题。

（4）在开发中如果对内存要求非常高，那么使用懒汉式写法，可以在特定时候才创建该对象；

（5）如果对内存要求不高使用饿汉式写法，因为简单不易出错，且没有任何并发安全和性能问题

（6）为了防止多线程环境下，因为指令重排序导致变量报NPE，需要在单例对象上添加volatile关键字防止指令重排序

（7）最优雅的实现方式是使用枚举，其代码精简，没有线程安全问题，且 Enum 类内部防止反射和反序列化时破坏单例。  
————————————————

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