本文节选自《设计模式就该这样学》
1 通用单例写法带来的弊端
我们看到的单例模式通用写法，一般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。
//饿汉式静态代码块单例模式
public class HungryStaticSingleton {
private static final HungryStaticSingleton instance;
static {
instance = new HungryStaticSingleton();
}
private HungryStaticSingleton(){}
public static HungryStaticSingleton getInstance(){
return instance;
}
}
这种写法使用静态代码块的机制，非常简单也容易理解。饿汉式单例模式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。
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。
//懒汉式单例模式在外部需要使用的时候才进行实例化
public class LazySimpleSingletion {
//静态块，公共内存区域
private static LazySimpleSingletion instance;
private LazySimpleSingletion(){}
public static LazySimpleSingletion getInstance(){
if(instance == null){
instance = new LazySimpleSingletion();
}
return instance;
}
}
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。
public class ExectorThread implements Runnable{
@Override
public void run() {
LazySimpleSingleton singleton = LazySimpleSingleton.getInstance();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + singleton);
}
}
编写客户端测试代码如下。
public class LazySimpleSingletonTest {
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(new ExectorThread());
Thread t2 = new Thread(new ExectorThread());
t1.start();
t2.start();
System.out.println("End");
}
}
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，并观测其内存状态，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，使得懒汉式单例模式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。
public class LazySimpleSingletion {
//静态块，公共内存区域
private static LazySimpleSingletion instance;
private LazySimpleSingletion(){}
public synchronized static LazySimpleSingletion getInstance(){
if(instance == null){
instance = new LazySimpleSingletion();
}
return instance;
}
}
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。
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。
public class LazyDoubleCheckSingleton {
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance;
private LazyDoubleCheckSingleton(){}
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
return instance;
}
}
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？
public class LazyDoubleCheckSingleton {
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance;
private LazyDoubleCheckSingleton(){}
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
if (instance == null) {
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
return instance;
}
}
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。
public class LazyDoubleCheckSingleton {
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance;
private LazyDoubleCheckSingleton(){}
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
//检查是否要阻塞
if (instance == null) {
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
//检查是否要重新创建实例
if (instance == null) {
instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
//指令重排序的问题
}
}
}
return instance;
}
}
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。
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关键字总是要上锁，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。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。
//这种形式兼顾饿汉式单例写法的内存浪费问题和synchronized的性能问题
//完美地屏蔽了这两个缺点
public class LazyStaticInnerClassSingleton {
//使用LazyInnerClassGeneral的时候，默认会先初始化内部类
//如果没使用，则内部类是不加载的
private LazyStaticInnerClassSingleton(){
}
//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
private static LazyStaticInnerClassSingleton getInstance(){
//在返回结果之前，一定会先加载内部类
return LazyHolder.INSTANCE;
}
//利用了Java本身的语法特点，默认不加载内部类
private static class LazyHolder{
private static final LazyStaticInnerClassSingleton INSTANCE = new LazyStaticInnerClassSingleton();
}
}
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？
5 还原反射破坏单例的事故现场
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。
public static void main(String[] args) {
try{
//如果有人恶意用反射破坏
Class<?> clazz = LazyStaticInnerClassSingleton.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();
}
}
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。
public class LazyStaticInnerClassSingleton {
//使用LazyInnerClassGeneral的时候，默认会先初始化内部类
//如果没使用，则内部类是不加载的
private LazyStaticInnerClassSingleton(){
if(LazyHolder.INSTANCE != null){
throw new RuntimeException("不允许创建多个实例");
}
}
//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
private static LazyStaticInnerClassSingleton getInstance(){
//在返回结果之前，一定会先加载内部类
return LazyHolder.INSTANCE;
}
//利用了Java本身的语法特点，默认不加载内部类
private static class LazyHolder{
private static final LazyStaticInnerClassSingleton INSTANCE = new LazyStaticInnerClassSingleton();
}
}
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？
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。
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;
}
}
然后看客户端测试代码。
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();
}
}
}
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。
static
{
INSTANCE = new EnumSingleton("INSTANCE", 0);
$VALUES = (new EnumSingleton[] {
INSTANCE
});
}
原来，枚举式单例写法在静态代码块中就对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。
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
...
case TC_ENUM:
return checkResolve(readEnum(unshared));
...
}
我们看到，在readObject0()中调用了readEnum()方法，readEnum()方法的代码实现如下。
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);
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;
}
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。
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。
protected Enum(String name, int ordinal) {
this.name = name;
this.ordinal = ordinal;
}
再来做一个这样的测试。
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。
public T newInstance(Object ... initargs)
throws InstantiationException, IllegalAccessException,
IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{
if (!override) {
if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
checkAccess(caller, clazz, null, modifiers);
}
}
if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
ConstructorAccessor ca = constructorAccessor;
if (ca == null) {
ca = acquireConstructorAccessor();
}
@SuppressWarnings("unchecked")
T inst = (T) ca.newInstance(initargs);
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。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。
7 还原反序列化破坏单例的事故现场
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，来看一段代码。
//反序列化破坏了单例模式
public class SeriableSingleton implements Serializable {
//序列化就是把内存中的状态通过转换成字节码的形式
//从而转换为一个I/O流，写入其他地方（可以是磁盘、网络I/O）
//内存中的状态会被永久保存下来
//反序列化就是将已经持久化的字节码内容转换为I/O流
//通过I/O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
public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
private SeriableSingleton(){}
public static SeriableSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
}
编写客户端测试代码。
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。
public class SeriableSingleton implements Serializable {
public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
private SeriableSingleton(){}
public static SeriableSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
private Object readResolve(){
return INSTANCE;
}
}
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。
public final Object readObject()
throws IOException, ClassNotFoundException
{
if (enableOverride) {
return readObjectOverride();
}
int outerHandle = passHandle;
try {
Object obj = readObject0(false);
handles.markDependency(outerHandle, passHandle);
ClassNotFoundException ex = handles.lookupException(passHandle);
if (ex != null) {
throw ex;
}
if (depth == 0) {
vlist.doCallbacks();
}
return obj;
} finally {
passHandle = outerHandle;
if (closed && depth == 0) {
clear();
}
}
}
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。
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
...
case TC_OBJECT:
return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));
...
}
我们看到TC_OBJECT中调用了ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法，源码如下。
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);
}
...
return obj;
}
我们发现调用了ObjectStreamClass的isInstantiable()方法，而isInstantiable()方法的源码如下。
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。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。
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())
{
Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
rep = cloneArray(rep);
}
if (rep != obj) {
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;
}
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。
boolean hasReadResolveMethod() {
requireInitialized();
return (readResolveMethod != null);
}
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。
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。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。
Object invokeReadResolve(Object obj)
throws IOException, UnsupportedOperationException
{
requireInitialized();
if (readResolveMethod != null) {
try {
return readResolveMethod.invoke(obj, (Object[]) null);
} catch (InvocationTargetException ex) {
Throwable th = ex.getTargetException();
if (th instanceof ObjectStreamException) {
throw (ObjectStreamException) th;
} else {
throwMiscException(th);
throw new InternalError(th);
}
} catch (IllegalAccessException ex) {
throw new InternalError(ex);
}
} else {
throw new UnsupportedOperationException();
}
}
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 还原克隆破坏单例的事故现场
假设有这样一个场景，如果克隆的目标对象恰好是单例对象，那会不会使单例对象被破坏呢？当然，我们在已知的情况下肯定不会这么干，但如果发生了意外怎么办？不妨来修改一下代码。
@Data
public class ConcretePrototype implements Cloneable {
private static ConcretePrototype instance = new ConcretePrototype();
private ConcretePrototype(){}
public static ConcretePrototype getInstance(){
return instance;
}
@Override
public ConcretePrototype clone() {
try {
return (ConcretePrototype)super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
return null;
}
}
}
我们把构造方法私有化，并且提供getInstance()方法。编写客户端测试代码如下。
public static void main(String[] args) {
//创建原型对象
ConcretePrototype prototype = ConcretePrototype.getInstance();
//复制原型对象
ConcretePrototype cloneType = prototype.clone();
System.out.println("原型对象和克隆对象比较：" + (prototype == cloneType));
}
运行结果如下图所示。
从运行结果来看，确实创建了两个不同的对象。实际上防止克隆破坏单例对象的解决思路非常简单，禁止克隆便可。要么我们的单例类不实现Cloneable接口，要么我们重写clone()方法，在clone()方法中返回单例对象即可，具体代码如下。
@Override
public ConcretePrototype clone() {
return instance;
}
9 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。
public class ContainerSingleton {
private ContainerSingleton(){}
private static Map<String,Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String,Object>();
public static Object getBean(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。
public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends AbstractBeanFactory
implements AutowireCapableBeanFactory {
/** Cache of unfinished FactoryBean instances: FactoryBean name --> BeanWrapper */
private final Map<String, BeanWrapper> factoryBeanInstanceCache = new ConcurrentHashMap<>(16);
...
}
从上面代码来看，存储单例对象的容器其实就是一个Map。
9 附彩蛋：ThreadLocal线程单例
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。
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();
}
}
客户端测试代码如下。
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());
Thread t1 = new Thread(new ExectorThread());
Thread t2 = new Thread(new ExectorThread());
t1.start();
t2.start();
System.out.println("End");
}
运行结果如下图所示。
由上可知，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。
关注『 Tom弹架构 』回复“设计模式”可获取完整源码。
本文为“Tom弹架构”原创，转载请注明出处。技术在于分享，我分享我快乐！
如果本文对您有帮助，欢迎关注和点赞；如果您有任何建议也可留言评论或私信，您的支持是我坚持创作的动力。关注『 Tom弹架构 』可获取更多技术干货！