单例设计模式最优解（性能、并发、反射、序列化）

所谓单例模式，简单来说，就是在整个应用中保证只有一个类的实例存在。

作用

• 避免对象的多次创建，节约资源

单例设计模式的关键点

• 私有构造函数
• 提供方法返回单例对象
• 保证多线程情况下单例依然唯一
• 确保反序列化的时候也不会重新构建对象

上面的关键点也非必须都要坚持的点，还是需要具体场景具体分析吧。

1、最简单的实现（恶汉）

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

2、性能优化--lazy loaded（懒汉）

• 上面的代码虽然简单，但是有一个问题----无论这个类是否被使用，都会创建一个instance对象，并且这个类还不一定会被使用，那么这个创建过程就是无用的，怎么办呢？

为了解决这个问题，我们想到的新的解决方案：

public class SingletonClass { 

  private static SingletonClass instance = null; 
    
  public static SingletonClass getInstance() { 
    if(instance == null) { 
      instance = new SingletonClass(); 
    } 
    return instance; 
  } 
    
  private SingletonClass() { 
     
  } 
    
}

• 代码的变化有俩处----首先，把 instance 设置为 null ,知道第一次使用的时候判是否为 null 来创建对象。因为创建对象不在声明处，所以那个 final 的修饰必须去掉。

• 我们来想象一下这个过程。要使用 SingletonClass ，调用 getInstance（）方法，第一次的时候发现instance时null,然后就创建一个对象，返回出去；第二次再使用的时候，因为这个instance事static的，共享一个对象变量的，所以instance的值已经不是null了，因此不会再创建对象，直接将其返回。

• 这个过程就称为lazy loaded ,也就是迟加载-----直到使用的时候才经行加载。

3、同步（应对多线程问题）

• 上面的代码很清楚，也很简单。单线程下，这段代码没什么问题，可是如果是多线程呢，麻烦就来了，我们来分析一下：

• 线程A希望使用SingletonClass，调用getInstance()方法。因为是第一次调用，A就发现instance是null的，于是它开始创建实例，就在这个时候，CPU发生时间片切换，线程B开始执行，它要使用SingletonClass，调用getInstance()方法，同样检测到instance是null——注意，这是在A检测完之后切换的，也就是说A并没有来得及创建对象——因此B开始创建。B创建完成后，切换到A继续执行，因为它已经检测完了，所以A不会再检测一遍，它会直接创建对象。这样，线程A和B各自拥有一个SingletonClass的对象——单例失败！

• 解决的办法也很简单，那就是加锁：

public class SingletonClass{
    private static SingletonClass instance = null;
    public synchronized static SingletonClass getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new SingletonClass();
        }
        return instance;
    }
    private SingletonClass(){
    
    } 
}

• 只要getInstance（）加上同步锁，，一个线程必须等待另外一个线程创建完后才能使用这个方法，这就保证了单利的唯一性。

4、又是性能

• 上面的代码又是很清楚也很简单的，然而，往往简单的东西不够理想。这段代码毫无疑问存在性能的问题----synchronized修饰的同步块可是要比一般的代码慢上几倍的！如果存在很多次的getInstance()调用，那性能问题就不得不考虑了？！！！

• 让我们来分析一下，究竟是整个方法都必须加锁，还是紧紧其中某一句加锁就足够了？我们为什么要加锁呢？分析一下lazy loaded的那种情形的原因，原因就是检测null的操作和创建对象的操作分离了，导致出现只有加同步锁才能单利的唯一性。

• 如果这俩个操作能够原子的进行，那么单利就已经保证了。于是，我们开始修改代码：

public class SingletonClass{
    private static SingletonClass instance = null;
    public static SingletonClass getInstance(){
        synchronized(SingletonClass.class){
            if(instance == null){
            instance = new SingletonClass();
            }
        }
        return instance;
    }
    private SingletonClass(){
    
    } 
}

• 首先去掉 getInstance() 的操作，然后把同步锁加载到if语句上。但是，这样的修改起不到任何作用：因为每次调用getInstance()的时候必然要经行同步，性能的问题还是存在。如果............我们事先判断一下是不是为null在去同步呢？

public class SingletonClass{
    private static SingletonClass instance = null;
    public static SingletonClass getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized(SingletonClass.class){
                if(instance == null){
                instance = new SingletonClass();
                }
            }
        }    
        return instance;
    }
    private SingletonClass(){
    
    } 
}

• 还有问题吗？首先判断instance是不是为null，如果为null在去进行同步，如果不为null，则直接返回instance对象。

• 这就是double---checked----locking 设计实现单利模式。到此为止，一切都很完美。我们用一种很聪明的方式实现了单例模式。

5、从源头检查

• 下面我们开始说编译原理。所谓编译，就是把源代码”翻译“成目标代码----大多是是指机器代码----的过程。针对Java，它的目标代码不是本地机器代码，而是虚拟机代码。编译原理里面有一个很重要的内容是编译器优化。所谓编译器优化是指，在不改变原来语义的情况下，通过调整语句顺序，来让程序运行的更快。这个过程成为reorder。

• 要知道，JVM只是一个标准，并不是实现。JVM中并没有规定有关编译器优化的内容，也就是说，JVM实现可以自由的进行编译器优化。

• 下面来想一下，创建一个变量需要哪些步骤呢？一个是申请一块内存，调用构造方法进行初始化操作，另一个是分配一个指针指向这块内存。这两个操作谁在前谁在后呢？JVM规范并没有规定。那么就存在这么一种情况，JVM是先开辟出一块内存，然后把指针指向这块内存，最后调用构造方法进行初始化。

• 下面我们来考虑这么一种情况：线程A开始创建SingletonClass的实例，此时线程B调用了getInstance()方法，首先判断instance是否为null。按照我们上面所说的内存模型，A已经把instance指向了那块内存，只是还没有调用构造方法，因此B检测到instance不为null，于是直接把instance返回了——问题出现了，尽管instance不为null，但它并没有构造完成，就像一套房子已经给了你钥匙，但你并不能住进去，因为里面还没有收拾。此时，如果B在A将instance构造完成之前就是用了这个实例，程序就会出现错误了！

举例：
创建一个对象 new Object() 看似一句话，但是实际上它并不是一个原子操作，这句代码最终会被编译成多条汇编指令，它大致做了三件事情：
1、跟实例分配内存；
2、调用类的构造函数，初始化成员字段；
3、将instance 对象指向分配的内存空间（此时instance就不是null了）；
1、2、3的顺序可能不一致，所以可能会出错。

6. 解决方案

了这么多，难道单例没有办法在Java中实现吗？其实不然！

• 在JDK 5之后，Java使用了新的内存模型。volatile关键字有了明确的语义，用volatile修饰instance之后，能够保证instance对象每次都是从主内存读取的。

说明：Java内存模型分为主内存，和工作内存。主内存是所有的线程所共享的，工作内存是每个线程自己有一个，不是共享的。每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝。线程对变量的所有操作（读取、赋值），都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。
volatile赋予了变量可见——禁止编译器对成员变量进行优化，它修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从内存中重读该成员变量的值；而且，当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到共享内存，这样在任何时刻两个不同线程总是看到某一成员变量的同一个值，这就是保证了可见性。这同样也导致了volatile也会有一些性能问题，不过影响还是非常小的。

public class SingletonClass { 

  private volatile static SingletonClass instance = null; 

  public static SingletonClass getInstance() { 
    if (instance == null) { 
      synchronized (SingletonClass.class) { 
        if(instance == null) { 
          instance = new SingletonClass(); 
        } 
      } 
    } 
    return instance; 
  } 

  private SingletonClass() { 

  } 

}

这种方法的缺点

• 这只是JDK1.5之后的Java的解决方案，之前版本volatile还没有被赋予这个语义功能，所以这个方案不适用于之前的老版本。
• 某些情况下还是会出现失效问题，在《java并发编程实践》一书中谈到了这个问题，是不赞成这种用法的。

其实，还有另外的一种解决方案，并不会受到Java版本的影响：

静态内部类方案（Effiective Java推荐的方式）

public class SingletonClass { 
    
  private static class SingletonClassInstance { 
    private static final SingletonClass instance = new SingletonClass(); 
  } 

  public static SingletonClass getInstance() { 
    return SingletonClassInstance.instance; 
  } 

  private SingletonClass() { 

  } 
    
}

• 在这一版本的单例模式实现代码中，我们使用了Java的静态内部类。这一技术是被JVM明确说明了的，因此不存在任何二义性。在这段代码中，因为SingletonClass没有static的属性，因此并不会被初始化。直到调用getInstance()的时候，会首先加载SingletonClassInstance类，这个类有一个static的SingletonClass实例，因此需要调用SingletonClass的构造方法，然后getInstance()将把这个内部类的instance返回给使用者。由于这个instance是static的，因此并不会构造多次。

• 由于SingletonClassInstance是私有静态内部类，所以不会被其他类知道，同样，static语义也要求不会有多个实例存在。并且，JSL规范定义，类的构造必须是原子性的，非并发的，因此不需要加同步块。同样，由于这个构造是并发的，所以getInstance()也并不需要加同步。

到这里一般就够用了，只不过如果考虑一些奇葩情况当然依然是有一些问题存在的。
1、可以反序列化创建对象。
2、可以反射调用私有构造函数创建对象。

枚举单例设计模式（最安全最简单的方式）

public enum  SingleInstance {
    INSTANCE;
    public void test(){
        System.out.println(INSTANCE.name());
    }
}

调用

public class MainTest {
    public static void main(String[] args) {
        SingleInstance.INSTANCE.test();
    }

}

• 写法简单是枚举单例最大的优点，枚举在java中其实编译后生成的也是一个java类，枚举不仅能够有字段，也可以有自己的方法，最重要的是枚举实例的创建是线程安全的，并且在任何情况下它都是一个单例，在上面几种单例创建模式实现中，在反序列的情况下他们会出现重新创建对象。

• 我们知道序列化可以将一个单例对象写到磁盘，然后在读取回来，从而有效的获取了一个实例，即使构造函数是私有的，反序列化操作依然可以通过特殊途径去创建一个类的新的实例。

• 反序列化操作提供了一个很特别的钩子函数，类中具有一个私有的readResolve()函数，这个函数可以让开发人员控制对象反序列化。

• 上面几种示例如果要杜绝单例对象在反序列被重新创建的情况，就必须加入readResolve()函数，就是在这个方法里面直接将单例对象返回（复写此方法，直接返回单例对象即可），而不是新创建一个对象。（对于枚举则不会存在这个问题，枚举反序列化也不会创建新的实例【为什么：参见：枚举为什么是最好的单例，以及序列化反序列化等操作】）

• 另外枚举也可以避免反射创建对象（具体参见上方文章）

更多的还有容器类的单例设计管理模式，适合管理很多单例类。

容器的单例设计模式：

/**
 * 单例管理类
 */
public class SingletonManger {
    private static Map<String,Object> objectMap = new HashMap<>();

    /**
     * 私有化管理类，防止创建多个
     */
    private SingletonManger(){
        
    }

    /**
     * 插入单例类
     * @param key
     * @param instance
     */
    public static void registerService(String key,Object instance){
        if(!objectMap.containsKey(key)){
           objectMap.put(key,instance);
        }
    }

    /**
     * 获取单例类
     * @param key
     * @return
     */
    public static Object getSigleInstance(String key){
        return objectMap.get(key);
    }
}