[Java知识库]Java设计模式（4 / 23）：单例模式

单例模式的应用场景

单例模式（Singleton Pattern）是指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并提供一个全局访问点。单例模式是创建型模式。单例模式在现实生活中应用也非常广泛，例如，公司CEO、部门经理等。J2EE标准中的ServletContext、ServletContextConfig 等、Spring框架应用中的ApplicationContext、数据库的连接池等也都是单例形式。

单例模式的类结构图如下：

饿汉式单例模式

饿汉式单例模式在类加载的时候就立即初始化，并且创建单例对象。它绝对线程安全，在线程还没出现以前就实例化了、不可能存在访问安全问题。

优点：没有加任何锁、执行效率比较高，用户体验比懒汉式单例模式更好。

缺点：类加载的时候就初始化，不管用与不用都占着空间，可能浪费内存，“尸位素餐”。

Spring中loC容器ApplicationContext本身就是典型的饿汉式单例模式。

接下来看一段代码：

public class HungrySingleton {
    //先静态、后动态
    //先属性、后方法
    //先上后下
    private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();

    private HungrySingleton(){}

    public static HungrySingleton getInstance(){
        return  hungrySingleton;
    }
}

还有另外一种写法，利用静态代码块的机制：

public class HungryStaticSingleton {
    private static final HungryStaticSingleton hungrySingleton;
    static {
        hungrySingleton = new HungryStaticSingleton();
    }
    private HungryStaticSingleton(){}
    public static HungryStaticSingleton getInstance(){
        return  hungrySingleton;
    }
}

这两种写法都非常简单，也非常好理解，饿汉式单例模式适用于单例对象较少的情况。下面我们来看性能更优的写法。

ZJ：联想起挂着大饼的巨婴。

懒汉式单例模式

懒汉式单例模式的特点是：被外部类调用的时候内部类才会加载。下面看懒汉式单例模式的简单实现LazySimpleSingleton：

public class LazySimpleSingleton {
    private LazySimpleSingleton(){}
    //静态块，公共内存区域
    private static LazySimpleSingleton lazy = null;

    public static LazySimpleSingleton getInstance(){
        if(lazy == null){
            lazy = new LazySimpleSingleton();
        }
        return lazy;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
		Runnable task = ()->{
			LazySimpleSingleton singleton = LazySimpleSingleton.getInstance();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + singleton);
		};
		
		Thread t1 = new Thread(task);
		Thread t2 = new Thread(task);
		
		t1.start();
		t2.start();
		
		System.out.println("End");
	}
    
}

运行结果如下：

End
Thread-1:com.lun.pattern.singleton.lazy.LazySimpleSingleton@6fc8c462
Thread-0:com.lun.pattern.singleton.lazy.LazySimpleSingleton@6fc8c462

上面的代码有一定概率出现两种不同结果，这意味着上面的单例存在线程安全隐患。

我们通过调试运行再具体看一下。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。如下图打上断点。

运行调试，让两线程停顿在lazy = new LazySimpleSingleton();

先让Thread-0单步运行，观察lazy变量的哈希值：

先让Thread-1单步运行，观察lazy变量的哈希值：

LazySimpleSingleton类有创建两次实例，这违背单例模式初衷。

有时我们得到的运行结果可能是相同的两个对象，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。

改进：synchronized

那么，我们如何来优化代码，使得懒汉式单例模式在线程环境下安全呢？来看下面的代码，给getInstance()加上synchronized关键字，使这个方法变成线程同步方法：

public class LazySimpleSingleton {
    private LazySimpleSingleton(){}
    //静态块，公共内存区域
    private static LazySimpleSingleton lazy = null;

    public static synchronized LazySimpleSingleton getInstance(){
        if(lazy == null){
            lazy = new LazySimpleSingleton();
        }
        return lazy;
    }
}

运行调试。先让Thread-0获得锁，正在调用getInstance()的lazy = new LazySimpleSingleton();（断点保持未填关键字synchronized时那样）。而Thread-1尝试调用getInstance()，但存在锁存在，只能被阻塞，直到Thread-0调用getInstance()返回后释放锁为止。

上图完美地展现了synchronized 监视锁的运行状态，线程安全的问题解决了。

但是，用synchronized加锁时，在线程数量比较多的情况下，如果CPU分配压力上升，则会导致大批线程阻塞，从而导致程序性能大幅下降。

改进：双重检查锁

那么，有没有一种更好的方式，既能兼顾线程安全又能提高程序性能呢？

答案是肯定的。我们来看双重检查锁的单例模式：

public class LazyDoubleCheckSingleton {
    private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazy = null;

    private LazyDoubleCheckSingleton(){}
    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
        if(lazy == null){
            synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class){
//                if(lazy == null){
                    lazy = new LazyDoubleCheckSingleton();
                    //1.分配内存给这个对象
                    //2.初始化对象
                    //3.设置lazy指向刚分配的内存地址
                    //4.初次访问对象
//                }
            }
        }
        return lazy;
    }

}

但是，用到 synchronized关键字总归要上锁，对程序性能还是存在一定影响的。

难道就真的没有更好的方案吗?当然有。

改进：静态内部类

我们可以从类初始化的角度来考虑，看下面的代码，采用静态内部类的方式：

public class LazyInnerClassSingleton {
    //默认使用LazyInnerClassGeneral的时候，会先初始化内部类
    //如果没使用的话，内部类是不加载的
    private LazyInnerClassSingleton(){
    }

    //每一个关键字都不是多余的
    //static 是为了使单例的空间共享
    //保证这个方法不会被重写，重载
    public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){
        //在返回结果以前，一定会先加载内部类
        return LazyHolder.LAZY;
    }

    //默认不加载
    private static class LazyHolder{
        private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
    }
}

这种方式兼顾了饿汉式单例模式的内存浪费问题和synchronized 的性能问题。内部类一定是要在方法调用之前初始化，巧妙地避免了线程安全问题。

破坏单例

用反射破坏单例

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，如果我们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。现在来看一段测试代码，以 LazyInnerClassSingleton为例：

public class LazyInnerClassSingleton {

	...
    
    public static void main(String[] args) {
    	try{
    		//在很无聊的情况下,进行破坏
    		Class<?> clazz = LazyInnerClassSingleton.class;
    		
    		//通过反射获取私有的构造方法
    		Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);//强制访问
    		c.setAccessible(true);
    
    		//暴力初始化
    		Object o1 = c.newInstance();
    		//调用了两次构造方法，相当于“new”了两次，犯了原则性错误
    		Object o2 = c.newInstance();
    		
    		System.out.println(o1 == o2);
    		
    	}catch(Exception e){
    		e.printStackTrace();
    	}
    }

}

输出结果为：

false

显然，创建了两个不同的实例。现在，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。来看优化后的代码:

public class LazyInnerClassSingleton {
    //默认使用LazyInnerClassSingleton的时候，会先初始化内部类
    //如果没使用的话，内部类是不加载的
    private LazyInnerClassSingleton(){
    	if(LazyHolder.LAZY != null){//<------------------------关注点
            throw new RuntimeException("不允许创建多个实例");
        }
    }

	...

}

再次运行测试代码，输出结果为：

java.lang.reflect.InvocationTargetException
	at java.base/jdk.internal.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method)
	at java.base/jdk.internal.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(NativeConstructorAccessorImpl.java:78)
	at java.base/jdk.internal.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45)
	at java.base/java.lang.reflect.Constructor.newInstanceWithCaller(Constructor.java:499)
	at java.base/java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:480)
	at com.lun.pattern.singleton.lazy.LazyInnerClassSingleton.main(LazyInnerClassSingleton.java:47)
Caused by: java.lang.RuntimeException: 不允许创建多个实例
	at com.lun.pattern.singleton.lazy.LazyInnerClassSingleton.<init>(LazyInnerClassSingleton.java:20)
	... 6 more

至此，看起来相当完美单例模式实现了。

用序列化破坏单例

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，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，就违背了单例模式的初衷，相当于破坏了单例，来看一段代码：

public class SeriableSingleton implements Serializable {

    //序列化就是说把内存中的状态通过转换成字节码的形式
    //从而转换一个IO流，写入到其他地方(可以是磁盘、网络IO)
    //内存中状态给永久保存下来了

    //反序列化
    //讲已经持久化的字节码内容，转换为IO流
    //通过IO流的读取，进而将读取的内容转换为Java对象
    //在转换过程中会重新创建对象new

    public  final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
    private SeriableSingleton(){}

    public static SeriableSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

测试代码：

public class SeriableSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {

        SeriableSingleton s1 = null;
        SeriableSingleton s2 = SeriableSingleton.getInstance();

        FileOutputStream fos = null;
        try {
            fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(s2);
            oos.flush();
            oos.close();


            FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            s1 = (SeriableSingleton)ois.readObject();
            ois.close();

            System.out.println(s1);
            System.out.println(s2);
            System.out.println(s1 == s2);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果：

com.lun.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@17c68925
com.lun.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@48140564
false

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，实例化了两次，违背了单例模式的设计初衷。

那么，我们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。来看优化后的代码：

public class SeriableSingleton implements Serializable {

	...

    private  Object readResolve(){//新添方法。
        return  INSTANCE;
    }

}

再次运行测试代码：

com.lun.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@48140564
com.lun.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@48140564
true

解密

为什么添加readResolve()后，问题解决了。阅读ObjectInputStream类的readObject()方法源码，代码如下：

public class ObjectInputStream
    extends InputStream implements ObjectInput, ObjectStreamConstants
{

	...
	
    public final Object readObject()
        throws IOException, ClassNotFoundException {
        return readObject(Object.class);//调用下面那个私有方法
    }

    private final Object readObject(Class<?> type)
        throws IOException, ClassNotFoundException
    {
        if (enableOverride) {
            return readObjectOverride();
        }

        if (! (type == Object.class || type == String.class))
            throw new AssertionError("internal error");

        // if nested read, passHandle contains handle of enclosing object
        int outerHandle = passHandle;
        try {
            Object obj = readObject0(type, false);//<-------关注点
            handles.markDependency(outerHandle, passHandle);
            ClassNotFoundException ex = handles.lookupException(passHandle);
            if (ex != null) {
                throw ex;
            }
            if (depth == 0) {
                vlist.doCallbacks();
                freeze();
            }
            return obj;
        } finally {
            passHandle = outerHandle;
            if (closed && depth == 0) {
                clear();
            }
        }
    }
    
    
}

readObject()方法中又调用了重写的 readObject0()方法。进入readObject0()方法代码如下：

    private Object readObject0(Class<?> type, boolean unshared) throws IOException {
		...
        byte tc;
        while ((tc = bin.peekByte()) == TC_RESET) {
            bin.readByte();
            handleReset();
        }

        depth++;
        totalObjectRefs++;
        try {
            switch (tc) {
				...
                case TC_OBJECT:
                    if (type == String.class) {
                        throw new ClassCastException("Cannot cast an object to java.lang.String");
                    }
                    return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));//<-------关注点

				...
            }
        } finally {
            depth--;
            bin.setBlockDataMode(oldMode);
        }
    }

MN：这里没太懂怎么到TC_OBJECT的这步的。

我们看到TC_OBJECT中调用了ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法，看源码：

public class ObjectInputStream
    extends InputStream implements ObjectInput, ObjectStreamConstants
{
    
    ...
    
	private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
        throws IOException
    {
        if (bin.readByte() != TC_OBJECT) {
            throw new InternalError();
        }

        ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
        desc.checkDeserialize();

        Class<?> cl = desc.forClass();
        if (cl == String.class || cl == Class.class
                || cl == ObjectStreamClass.class) {
            throw new InvalidClassException("invalid class descriptor");
        }

        Object obj;
        try {
            obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;//<--------------关注点
        } catch (Exception ex) {
            throw (IOException) new InvalidClassException(
                desc.forClass().getName(),
                "unable to create instance").initCause(ex);
        }

        ...

        return obj;
    }
}

我们发现调用了ObjectStreamClass的isInstantiable()方法，而 isInstantiable()方法的代码如下：

public class ObjectInputStream
    extends InputStream implements ObjectInput, ObjectStreamConstants
{
    
    ...
    
	boolean isInstantiable() {
        requireInitialized();
        return (cons != null);
    }
    
    ...
}

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

MN：如果没添加readResolve()方法，就返回这实例。

此时并没有找到加上readResolve()方法就避免了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：

public class ObjectInputStream
    extends InputStream implements ObjectInput, ObjectStreamConstants
{
    
    ...
    
	private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
        throws IOException
    {
        if (bin.readByte() != TC_OBJECT) {
            throw new InternalError();
        }

        ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
        desc.checkDeserialize();

        Class<?> cl = desc.forClass();
        if (cl == String.class || cl == Class.class
                || cl == ObjectStreamClass.class) {
            throw new InvalidClassException("invalid class descriptor");
        }

        Object obj;
        try {
            obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
        } catch (Exception ex) {
            throw (IOException) new InvalidClassException(
                desc.forClass().getName(),
                "unable to create instance").initCause(ex);
        }

        ...
        
        if (obj != null &&
            handles.lookupException(passHandle) == null &&
            desc.hasReadResolveMethod())//<-----关注点
        {
            Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
            if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
                rep = cloneArray(rep);
            }
            if (rep != obj) {
                // Filter the replacement object
                if (rep != null) {
                    if (rep.getClass().isArray()) {
                        filterCheck(rep.getClass(), Array.getLength(rep));
                    } else {
                        filterCheck(rep.getClass(), -1);
                    }
                }
                handles.setObject(passHandle, obj = rep);
            }
        }

        return obj;
    }
    
    ...
}

判断无参构造方法是否存在之后，又调用了ObjectStreamClass.hasReadResolveMethod()方法，来看代码：

public class ObjectStreamClass implements Serializable {
    
    ...
    
	boolean hasReadResolveMethod() {
        requireInitialized();
        return (readResolveMethod != null);
    }
    
    ...
}

上述代码逻辑非常简单，就是判断readResolveMethod是否为空，不为空就返回true。

通过全局查找知道，在私有方法ObjectStreamClass()中给readResolveMethod进行了赋值，来看代码：

public class ObjectStreamClass implements Serializable {
	
    ...

	private ObjectStreamClass(final Class<?> cl) {
    
        ...
        readResolveMethod = getInheritableMethod(
                            cl, "readResolve", null, Object.class);
        ...                 
	}

	...

}

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。现在回到ObjectInputStream 的readOrdinaryObject()方法继续往下看，如果readResolve()方法存在则调用invokeReadResolve()方法，来看代码：

public class ObjectStreamClass implements Serializable {

	...

	Object invokeReadResolve(Object obj)
        throws IOException, UnsupportedOperationException
    {
        requireInitialized();
        if (readResolveMethod != null) {
            try {
                return readResolveMethod.invoke(obj, (Object[]) null);//<----关注点，调用我们新添的方法。
            } catch (InvocationTargetException ex) {
                Throwable th = ex.getTargetException();
                if (th instanceof ObjectStreamException) {
                    throw (ObjectStreamException) th;
                } else {
                    throwMiscException(th);
                    throw new InternalError(th);  // never reached
                }
            } catch (IllegalAccessException ex) {
                // should not occur, as access checks have been suppressed
                throw new InternalError(ex);
            }
        } else {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
    }

	...
	
}

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

通过JDK源码分析我们可以看出，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，就意味着内存分配开销也会随之增大。

有办法从根本上解决问题吗？下面讲的注册式单例应运而生。

注册式单例模式

注册式单例模式又称为登记式单例模式，就是将每一个实例都登记到某一个地方，使用唯一的标识获取实例。

注册式单例模式有两种：

• 一种为枚举式单例模式，
• 另一种为容器式单例模式。

枚举式单例模式

先来看枚举式单例模式的写法，创建EnumSingleton类：

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    private Object data;
    public Object getData() {
        return data;
    }
    public void setData(Object data) {
        this.data = data;
    }
    public static EnumSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

测试代码：

public class EnumSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            EnumSingleton instance1 = null;

            EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
            instance2.setData(new Object());

            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(instance2);
            oos.flush();
            oos.close();

            FileInputStream fis = new FileInputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            instance1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
            ois.close();

            System.out.println(instance1.getData());
            System.out.println(instance2.getData());
            System.out.println(instance1.getData() == instance2.getData());

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果：

java.lang.Object@2280cdac
java.lang.Object@2280cdac
true

它竟如此优雅，简单。

解密

下载一个非常好用的Java反编译工具 Jad（下载地址: https://varaneckas.com/jad/），解压后配置好环境变量（或在工具所在目录下使用)，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。

然后反编译EnumSingleton.class

jad D:\eclipse-workspace\lun-spring-2\target\classes\com\lun\pattern\singleton\register\EnumSingleton.class

打开反编译后生成的EnumSingleton.jad内容如下：

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3) 
// Source File Name:   EnumSingleton.java

package com.lun.pattern.singleton.register;


public final class EnumSingleton extends Enum
{

    private EnumSingleton(String s, int i)
    {
        super(s, i);
    }

    public Object getData()
    {
        return data;
    }

    public void setData(Object data)
    {
        this.data = data;
    }

    public static EnumSingleton getInstance()
    {
        return INSTANCE;
    }

    public static EnumSingleton[] values()
    {
        EnumSingleton aenumsingleton[];
        int i;
        EnumSingleton aenumsingleton1[];
        System.arraycopy(aenumsingleton = ENUM$VALUES, 0, aenumsingleton1 = new EnumSingleton[i = aenumsingleton.length], 0, i);
        return aenumsingleton1;
    }

    public static EnumSingleton valueOf(String s)
    {
        return (EnumSingleton)Enum.valueOf(com/lun/pattern/singleton/register/EnumSingleton, s);
    }

    public static final EnumSingleton INSTANCE;
    private Object data;
    private static final EnumSingleton ENUM$VALUES[];

    static 
    {//<-----------------------主要关注点
        INSTANCE = new EnumSingleton("INSTANCE", 0);
        ENUM$VALUES = (new EnumSingleton[] {
            INSTANCE
        });
    }
}

原来，枚举式单例模式在静态代码块中就给INSTANCE进行了赋值，是饿汉式单例模式的实现。

至此，我们还可以试想，序列化能否破坏枚举式单例模式呢？不妨再来看一下JDK源码，还是回到ObjectInputStream的readObject0()方法：

public class ObjectInputStream
    extends InputStream implements ObjectInput, ObjectStreamConstants
{

	...
	
	private Object readObject0(Class<?> type, boolean unshared) throws IOException {
        ...
                        case TC_ENUM:
                    if (type == String.class) {
                        throw new ClassCastException("Cannot cast an enum to java.lang.String");
                    }
                    return checkResolve(readEnum(unshared));

        ...
	}
	
}

我们看到，在readObject0()中调用了readEnum()方法，来看readEnum()方法的代码实现：

public class ObjectInputStream
    extends InputStream implements ObjectInput, ObjectStreamConstants
{

	...
    
    private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException {
        if (bin.readByte() != TC_ENUM) {
            throw new InternalError();
        }

        ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
        if (!desc.isEnum()) {
            throw new InvalidClassException("non-enum class: " + desc);
        }

        int enumHandle = handles.assign(unshared ? unsharedMarker : null);
        ClassNotFoundException resolveEx = desc.getResolveException();
        if (resolveEx != null) {
            handles.markException(enumHandle, resolveEx);
        }

        String name = readString(false);
        Enum<?> result = null;
        Class<?> cl = desc.forClass();
        if (cl != null) {
            try {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name);//<-----------------------------------------关注点
                result = en;
            } catch (IllegalArgumentException ex) {
                throw (IOException) new InvalidObjectException(
                    "enum constant " + name + " does not exist in " +
                    cl).initCause(ex);
            }
            if (!unshared) {
                handles.setObject(enumHandle, result);
            }
        }

        handles.finish(enumHandle);
        passHandle = enumHandle;
        return result;
    }
    
    ...

}

public abstract class Enum<E extends Enum<E>>
        implements Constable, Comparable<E>, Serializable {
	...

    public static <T extends Enum<T>> T valueOf(Class<T> enumClass,
                                                String name) {
        T result = enumClass.enumConstantDirectory().get(name);
        if (result != null)
            return result;
        if (name == null)
            throw new NullPointerException("Name is null");
        throw new IllegalArgumentException(
            "No enum constant " + enumClass.getCanonicalName() + "." + name);
    }

	...

}

我们发现，枚举类型其实通过类名（String）和类对象类（Class）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模式呢？来看一段测试代码：

public class EnumSingletonTest {

	public static void main(String[] args) {
        try {
            Class clazz = EnumSingleton.class;
            Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor();
            c.newInstance();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果：

java.lang.NoSuchMethodException: com.lun.pattern.singleton.register.EnumSingleton.<init>()
	at java.base/java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:3517)
	at java.base/java.lang.Class.getDeclaredConstructor(Class.java:2691)
	at com.lun.pattern.singleton.test.EnumSingletonTest.main(EnumSingletonTest.java:46)

结果中报的是 java.lang.NoSuchMethodException异常，意思是没找到无参的构造方法。这时候，我们打开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：

public abstract class Enum<E extends Enum<E>>
        implements Constable, Comparable<E>, Serializable {

	...

    protected Enum(String name, int ordinal) {
        this.name = name;
        this.ordinal = ordinal;
    }
    
    ...
}

再尝试用其创造实例：

public class EnumSingletonTest {
    
    ...
    
	public static void main(String[] args) {
    	try {
    		Class clazz = EnumSingleton.class;
    		Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
    		c.setAccessible(true);
    		EnumSingleton enumSingleton = (EnumSingleton)c.newInstance("Tom",666);
    		
    	}catch (Exception e){
    		e.printStackTrace();
    	}
    }

}

运行结果：

java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
	at java.base/java.lang.reflect.Constructor.newInstanceWithCaller(Constructor.java:492)
	at java.base/java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:480)
	at com.lun.pattern.singleton.test.EnumSingletonTest.main(EnumSingletonTest.java:60)

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。还是习惯性地想来看看JDK源码，进入Constructor的newInstance()方法：

public final class Constructor<T> extends Executable {
    
    ...
    
	@CallerSensitive
    @ForceInline // to ensure Reflection.getCallerClass optimization
    public T newInstance(Object ... initargs)
        throws InstantiationException, IllegalAccessException,
               IllegalArgumentException, InvocationTargetException
    {
        Class<?> caller = override ? null : Reflection.getCallerClass();
        return newInstanceWithCaller(initargs, !override, caller);
    }

    /* package-private */
    T newInstanceWithCaller(Object[] args, boolean checkAccess, Class<?> caller)
        throws InstantiationException, IllegalAccessException,
               InvocationTargetException
    {
        if (checkAccess)
            checkAccess(caller, clazz, clazz, modifiers);

        if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
            throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");//<--------------------关注点

        ConstructorAccessor ca = constructorAccessor;   // read volatile
        if (ca == null) {
            ca = acquireConstructorAccessor();
        }
        @SuppressWarnings("unchecked")
        T inst = (T) ca.newInstance(args);
        return inst;
    }
    
    ...
}

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。

枚举式单例模式也是《Effective Java》书中推荐的一种单例模式实现写法。JDK枚举的语法特殊性及反射也为枚举保驾护航，让枚举式单例模式成为一种比较优雅的实现。

容器式单例

public class ContainerSingleton {
    private ContainerSingleton(){}
    private static Map<String,Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String,Object>();
    public static Object getInstance(String className){
        synchronized (ioc) {
            if (!ioc.containsKey(className)) {
                Object obj = null;
                try {
                    obj = Class.forName(className).newInstance();
                    ioc.put(className, obj);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return obj;
            } else {
                return ioc.get(className);
            }
        }
    }
}

容器式单例模式适用于实例非常多的情况，便于管理。但它是非线程安全的。

MN：非线程安全的？？？深表疑问，synchronized是干啥？？？

到此，注册式单例模式介绍完毕。我们再来看看Spring 中的容器式单例模式的实现代码：

public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends AbstractBeanFactory
implements AutowirecapableBeanFactory {
	/*Cache of unfinished FactoryBean instances: FactoryBean name --> Beanwrapper */
    private final Map<String,Beanwrapper> factoryBeanInstanceCache = new ConcurrentHashNap<>(16)};
	...
}

线程单例实现ThreadLocal

讲讲线程单例实现ThreadLocal。ThreadLocal不能保证其创建的对象是全局唯一的，但是能保证在单个线程中是唯一的。下面来看代码：

public class ThreadLocalSingleton {
    private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocalInstance =
            new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>(){
                @Override
                protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
                    return new ThreadLocalSingleton();
                }
            };

    private ThreadLocalSingleton(){}

    public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
        return threadLocalInstance.get();
    }
}

测试代码：

public class ThreadLocalSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());

        
        Runnable task = ()->{System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());};
        
        Thread t1 = new Thread(task);
        Thread t2 = new Thread(task);
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println("End");

    }
}

运行结果：

com.lun.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@5e265ba4
com.lun.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@5e265ba4
com.lun.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@5e265ba4
com.lun.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@5e265ba4
com.lun.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@5e265ba4
End
com.lun.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@15864d5a
com.lun.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@481d0703

在主线程中无论调用多少次，获取到的实例都是同一个，都在两个子线程中分别获取到了不同的实例。

那么ThreadLocal是如何实现这样的效果的呢？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将所有的对象全部放在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。

单例模式小结

单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存的开销，还可以避免对资源的多重占用。单例模式看起来非常简单，实现起来其实也非常简单，但是在面试中却是一个高频面试点。

参考资料

1. 《Spring5核心原理与30个类手写实战》