【创建模式-单例模式（Singleton Pattern）】

赐萧瑀

• 实现方案
• • 饿汉模式
  • 懒汉式（非线程安全）
  • 懒汉模式（线程安全）
  • 双重检查锁定
  • 静态内部类
• 攻击方式
• • 序列化攻击
  • 反射攻击
• 枚举(最佳实践)
• • 枚举是一种类

唐 李世民
疾风知劲草，板荡识诚臣。
勇夫安识义，智者必怀仁。

实现单例模式的主要方式有：饿汉模式、懒汉模式（非线程安全）、懒汉模式（线程安全）、双重检查锁定、静态内部类和枚举方式。攻击方式有克隆攻击、序列化攻击和反射攻击。

实现方案

序号	实现方式	描述	优点	缺点
1	饿汉式	在类加载时就创建实例	实现简单，线程安全	如果实例未被使用，会造成资源浪费
2	懒汉式（非线程安全）	在第一次调用时创建实例	延迟加载，节省资源	非线程安全，多线程环境下可能创建多个实例
3	懒汉式（线程安全）	在第一次调用时创建实例，并使用同步方法确保线程安全	延迟加载，线程安全	每次调用 getInstance 都需要同步，性能较差
4	双重检查锁定	在第一次调用时创建实例，并使用双重检查锁定机制确保线程安全	延迟加载，线程安全，且只在第一次创建实例时同步，性能较好	实现较复杂，需要注意 volatile 关键字的使用
5	静态内部类	利用静态内部类的特性，在第一次调用时创建实例	延迟加载，线程安全，实现简单	无法传递参数给单例实例
6	枚举	使用枚举类型实现单例	实现简单，线程安全，且能防止反射和序列化破坏单例	不能延迟加载，且不够灵活

饿汉模式

package com.cld.designpattern.creation.singleton.hungry;
 
import java.io.Serializable;
 
/**
 * 饿汉式
 * 是否 Lazy 初始化：否
 * <p>
 * 是否多线程安全：是
 * <p>
 * 实现难度：易
 * <p>
 * 描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
 * 优点：没有加锁，执行效率会提高。
 * 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
 * 它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。
 *
 * @author 休克柏
 */
public class HungrySingleton implements Serializable,Cloneable {
    private static final HungrySingleton INSTANCE = new HungrySingleton();
 
    private HungrySingleton() {
        if (INSTANCE != null) {
            throw new RuntimeException("单例构造器禁止反射调用！");
        }
    }
 
    public static HungrySingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
 
    @Override
    public HungrySingleton clone() {
        //避免克隆攻击
        return getInstance();
    }
}

懒汉式（非线程安全）

import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;
 
/**
 * （线程不安全）懒汉式
 * 是否 Lazy 初始化：是
 * 
 * 是否多线程安全：否
 * 
 * 实现难度：易
 * 
 * 描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加
 * 锁synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
 * 这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。
 *
 * @author 休克柏
 */
public class Lazy1Singleton implements Serializable {
    private static Lazy1Singleton instance;
 
    private Lazy1Singleton() {
    }
 
    /**
     * 线程不安全
     *
     * @return Lazy1Singleton
     */
    public static Lazy1Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Lazy1Singleton();
        }
        return instance;
    }
 
    /**
     * 反序列化的时候，会调用该方法，从而避免反序列化对单例的破坏
     * @return Lazy1Singleton
     * @throws ObjectStreamException
     */
    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return getInstance();
    }
}

懒汉模式（线程安全）

package org.cqcs.knowledge.designpattern.creation.singleton.lazy;

import java.io.Serializable;

/**
 * （线程安全）懒汉式
 * 是否 Lazy 初始化：是
 * <p>
 * 是否多线程安全：是
 * <p>
 * 实现难度：易
 * <p>
 * 描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
 * 优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
 * 缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
 * getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。
 *
 * @author 休克柏
 */
public class Lazy2Singleton implements Serializable {
    private static Lazy2Singleton instance;

    private Lazy2Singleton() {
    }

    /**
     * 线程安全，但是synchronized锁比较重
     *
     * @return Lazy2Singleton
     */
    public static synchronized Lazy2Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Lazy2Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁定

/**
 * JDK 版本：JDK1.5 起
 * 
 * 是否 Lazy 初始化：是
 * 
 * 是否多线程安全：是
 * 
 * 实现难度：较复杂
 * 
 * 描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
 * getInstance() 的性能对应用程序很关键。
 * 
 * Lazy2Singleton相对于Lazy1Singleton的效率问题，其实是为了解决1%几率的问题，
 * 而使用了一个100%出现的防护盾。
 * 那有一个优化的思路，就是把100%出现的防护盾，也改为1%的几率出现，使之只出现在可能会导致多个实例出现的地方。
 *
 * @author 休克柏
 */
public class DclSingleton implements Serializable {
    /**
     * volatile 的作用是对dclSingleton的写操作有一个内存屏障，这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。
     * 
     * volatile关键字通过提供"内存屏障"的方式来防止指令被重排序，为了实现volatile的内存语义，
     * 编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。
     * 
     * 在java内存模型中，volatile 关键字作用可以是保证可见性或者禁止指令重排。
     * 这里是因为 dclSingleton = new DclSingleton() ，它并非是一个原子操作，事实上：
     * 在 JVM 中上述语句至少做了以下这 3 件事：
     * 
     * 第一步是给 dclSingleton 分配内存空间；
     * 
     * 第二步开始调用 DclSingleton 的构造函数等，来初始化 dclSingleton；
     * 
     * 第三步，将 dclSingleton 对象指向分配的内存空间（执行完这步 dclSingleton 就不是 null 了）。
     * 
     * 这里需要留意一下 1-2-3 的顺序，因为存在指令重排序的优化，也就是说第 2 步和第 3 步的顺序是
     * 不能保证的，最终的执行顺序，可能是 1-2-3，也有可能是 1-3-2。
     * 如果是 1-3-2，那么在第 3 步执行完以后，dclSingleton 就不是 null 了，可是这时第 2 步并没
     * 有执行，singleton 对象未完成初始化，它的属性的值可能不是我们所预期的值。
     * 假设此时线程 2 进入 getInstance 方法，由于 dclSingleton 已经不是 null 了，
     * 
     * 所以会通过第一重检查并直接返回，但其实这时的 singleton 并没有完成初始化，所以使用这个实例的时候会报错。
     */
    private volatile static DclSingleton dclSingleton;
 
    private DclSingleton() {}
 
    public static DclSingleton getDlcSingleton() {
        if (dclSingleton == null) {
            synchronized (DclSingleton.class) {
                if (dclSingleton == null) {
                    //1. 给 dclSingleton 分配内存
                    //2. 调用 dclSingleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
                    //3. 将dclSingleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null了）
 
                    //上述3步是dclSingleton = new DclSingleton()的指令执行顺序，
                    dclSingleton = new DclSingleton();
                }
            }
        }
        return dclSingleton;
    }
 
    /**
     * 反序列化的时候，会调用该方法，从而避免反序列化对单例的破坏
     * @return Lazy1Singleton
     * @throws ObjectStreamException
     */
    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return getDlcSingleton();
    }
}

静态内部类

package org.cqcs.knowledge.designpattern.creation.singleton.staticinnerclass;

/**
 *静态内部类的实现方式利用了 类加载机制 和 静态内部类的特性 来保证单例的线程安全和延迟加载。
 *
 * 延迟加载：
 * 静态内部类不会在外部类加载时立即加载，而是在第一次调用 getInstance() 方法时才会加载内部类并创建实例。这种方式实现了延迟加载，避免了资源浪费。
 *
 * 线程安全：
 * JVM 在加载类时是线程安全的，静态内部类在加载时会由 JVM 保证线程安全，因此不需要额外的同步机制。
 *
 * 静态内部类的特性：
 * 静态内部类是独立于外部类的，只有在被引用时才会加载。
 * 静态内部类的静态成员变量（单例实例）在类加载时初始化，且只会初始化一次。
 * @author 休克柏
 */
public class StaticInnerClass {
    private StaticInnerClass() {}
    private static class SingletonHolder {
        private static final StaticInnerClass INSTANCE = new StaticInnerClass();
    }
    public static StaticInnerClass getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

攻击方式

序列化攻击

反射攻击

枚举(最佳实践)

There are three kinds of reference types: class types, array types, and interface types. 
Their values are references to dynamically created class instances, arrays, 
or class instances or arrays that implement interfaces, respectively.

一共有三种引用类型：class types, array types, and interface types. 其值指向动态创建的类实例，数组或者分别实现了接口的类实例或者数组。

从中我们可以得知enum不是一种专门的引用数据类型，它是类。

枚举是一种类

Day.java

public enum Day {
    MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY, THURSDAY, FRIDAY, SATURDAY, SUNDAY;
}

• 编译Day.java生成Day.class

javac Day.java

• 反编译Day.class

javap -c Day.class

Compiled from "Day.java"
public final class demo.Day extends java.lang.Enum<demo.Day> {
  public static final demo.Day MONDAY;

  public static final demo.Day TUESDAY;

  public static final demo.Day WEDNESDAY;

  public static final demo.Day THURSDAY;

  public static final demo.Day FRIDAY;

  public static final demo.Day SATURDAY;

  public static final demo.Day SUNDAY;

  public static demo.Day[] values();
    Code:
       0: getstatic     #1                  // Field $VALUES:[Ldemo/Day;
       3: invokevirtual #2                  // Method "[Ldemo/Day;".clone:()Ljava/lang/Object;
       6: checkcast     #3                  // class "[Ldemo/Day;"
       9: areturn
       ......
       ......
       ......

从输出我们可以发现定义语句public final class demo.Day extends java.lang.Enum<demo.Day>知道我们的Day.java就是一个类，该类继承了java.lang.Enum.

/**
 * This is the common base class of all Java language enumeration types.
 *
 * More information about enums, including descriptions of the
 * implicitly declared methods synthesized by the compiler, can be
 * found in section 8.9 of
 * <cite>The Java&trade; Language Specification</cite>.
 *
 * <p> Note that when using an enumeration type as the type of a set
 * or as the type of the keys in a map, specialized and efficient
 * {@linkplain java.util.EnumSet set} and {@linkplain
 * java.util.EnumMap map} implementations are available.
 *
 * @param <E> The enum type subclass
 * @author  Josh Bloch
 * @author  Neal Gafter
 * @see     Class#getEnumConstants()
 * @see     java.util.EnumSet
 * @see     java.util.EnumMap
 * @since   1.5
 */
@SuppressWarnings("serial") // No serialVersionUID needed due to
                            // special-casing of enum types.
public abstract class Enum<E extends Enum<E>>
        implements Comparable<E>, Serializable {