1.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 以外，没有做任何处理。如果我们使用反射来调用其构造方法，然后，再调用getInstance()方法，应该就会两个不同的实例。现在来看一段测试代码，以LazyInnerClassSingleton 为例：
public class ReflectTest {
public static void main(String[] args) {
try {
//在很无聊的情况下，进行破坏
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 instance1 = 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 instance2 = c.newInstance();
System.out.println(instance1);
System.out.println(instance2);
System.out.println(instance1 == instance2);
// Enum
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
}com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.lazy.LazyStaticInnerClassSingleton
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.lazy.LazyStaticInnerClassSingleton
false
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：
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。所以需要在私有构造方法添加异常：
private LazyStaticInnerClassSingleton(){
if(LazyHolder.INSTANCE != null){
throw new RuntimeException("不允许非法创建多个实例");
}
}
再运行测试代码，会得到以下结果：
2.序列化破坏单例（克隆 扩展知识）
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：
//反序列化导致破坏单例模式
public class SeriableSingleton implements Serializable {
//序列化
//把内存中对象的状态转换为字节码的形式
//把字节码通过IO输出流，写到磁盘上
//永久保存下来，持久化
//反序列化
//将持久化的字节码内容，通过IO输入流读到内存中来
//转化成一个Java对象
// 饿汉式
public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
private SeriableSingleton(){}
public static SeriableSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
// private Object readResolve(){ return INSTANCE;}
}
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();
}
}
}
打印结果：
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton
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。
再看运行结果，如下图所示。
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton
true
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。不如我们一起来看看JDK的源码实现以了解清楚。我们进入ObjectInputStream类的readObject()方法，代码如下：
public final Object readObject()
throws IOException, ClassNotFoundException
{
if (enableOverride) {
return readObjectOverride();
}
// if nested read, passHandle contains handle of enclosing object
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();
}
}
}
我们发现，在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(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，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);
}
...
return obj;
}
我们发现调用了ObjectStreamClass的isInstantiable()方法，而isInstantiable()方法的代码如下：
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，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。
这时候其实还没有找到加上 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：
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) {
// 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hasReadResolveMethod()方法，来看代码：
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。那么readResolveMethod是在哪里赋值的呢？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：
private final void requireInitialized() {
if (!initialized)
throw new InternalError("Unexpected call when not initialized");
}
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：
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); // 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，难道真的就没办法从根本上解决问题吗？下面讲的注册式单例也许能帮助到你。
为什么添加了readResolve()方法就可以了?
ObjectInputStream源码中，读取文件时写死判断是否有readResolve()方法，有调用这个方法，没有则重新创建对象。
3.注册式单例模式
将每一个实例都缓存到统一的容器中，使用唯一表示获取实例。
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。
方法1. 枚举式单例模式
先来看枚举式单例模式的写法，来看代码，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;}
}
来看测试代码：
public class EnumSingletonTest {
public static void main(String[] args) {
EnumSingleton instance = EnumSingleton.getInstance();
instance.setData(new Object());
try {
Class clazz = EnumSingleton.class;
Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
c.setAccessible(true);
System.out.println(c);
Object o = c.newInstance();
System.out.println(o);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
java.lang.Object
java.lang.Object
true
没有做任何处理，我们发现运行结果和预期的一样。那么枚举式单例模式如此神奇，它的神秘之处在哪里体现呢？下面通过分析源码来揭开它的神秘面纱。
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（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 并在后面输入复制好的路径，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：
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，来看readEnum()方法的代码实现：
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 {
("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;
}
我们发现，枚举类型其实通过类名和类对象类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 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，代码如下：
protected Enum(String name, int ordinal) {
this.name = name;
this.ordinal = ordinal;
}
我们再来做一个下面这样的测试：
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。还是习惯性地想来看看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; // read volatile
if (ca == null) {
ca = acquireConstructorAccessor();
}
("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。
到此为止，我们是不是已经非常清晰明了呢？枚举式单例模式也是《EffectiveJava》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。
枚举源码
java.lang.Enum通过valueOf获得值
public static <T extends Enum<T>> T valueOf(Class<T> enumType,
String name) {
T result = enumType.enumConstantDirectory().get(name);
if (result != null)
return result;
if (name == null)
throw new NullPointerException("Name is null");
throw new IllegalArgumentException(
"No enum constant " + enumType.getCanonicalName() + "." + name);
}
Map<String, T> enumConstantDirectory() {
if (enumConstantDirectory == null) {
T[] universe = getEnumConstantsShared();
if (universe == null)
throw new IllegalArgumentException(
getName() + " is not an enum type");
Map<String, T> m = new HashMap<>(2 * universe.length);
for (T constant : universe)
m.put(((Enum<?>)constant).name(), constant);
enumConstantDirectory = m;
}
return enumConstantDirectory;
}
private volatile transient Map<String, T> enumConstantDirectory = null;
枚举模式的实例天然具有线程安全性，防止序列化与反射的特性。
有点像饿汉式单例。创建时就将常量存放在map容器中。
优点：写法优雅。加载时就创建对象。线程安全。
缺点：不能大批量创建对象，否则会造成浪费。spring中不能使用它。
结论：如果不是特别重的对象，建议使用枚举单例模式，它是JVM天然的单例。
方法2. 容器式单例
Spring改良枚举写出的改良方法：IOC容器接下来看注册式单例模式的另一种写法，即容器式单例模式，创建ContainerSingleton类：
public class ContainerSingleton {
private ContainerSingleton(){}
private static Map<String,Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String, Object>();
public static Object getInstance(String className){
Object instance = null;
if(!ioc.containsKey(className)){
try {
instance = Class.forName(className).newInstance();
ioc.put(className, instance);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
return instance;
}else{
return ioc.get(className);
}
}
}
测试
public class ContainerSingletonTest {
public static void main(String[] args) {
Object instance1 = ContainerSingleton.getInstance("com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.test.Pojo");
Object instance2 = ContainerSingleton.getInstance("com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.test.Pojo");
System.out.println(instance1 == instance2);
}
}
结果
true
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。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 ConcurrentHashMap<String, BeanWrapper>(16);
}
容器为啥不能被反射破坏？秩序的维护者，创造了一个生态
4.线程单例实现ThreadLocal
最后赠送给大家一个彩蛋，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，天生是线程安全的。下面来看代码：
public class ThreadLocalSingleton {
private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocaLInstance =new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>(){
protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
return new ThreadLocalSingleton();
}
};
private ThreadLocalSingleton(){}
public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
return threadLocaLInstance.get();
}
}
写一下测试代码：
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());
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。
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton
com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton
End
Thread-0:com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.lazy.LazyDoubleCheckSingleton
Thread-1:com.gupaoedu.vip.pattern.singleton.lazy.LazyDoubleCheckSingleton
我们发现，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？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。
不是线程作为key，而是threadlocal本身。
ThreadLocal源码
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
6.源码
AbstractFactoryBean
public final T getObject() throws Exception {
if (isSingleton()) {
return (this.initialized ? this.singletonInstance : getEarlySingletonInstance());
}
else {
return createInstance();
}
}
private T getEarlySingletonInstance() throws Exception {
Class[] ifcs = getEarlySingletonInterfaces();
if (ifcs == null) {
throw new FactoryBeanNotInitializedException(
getClass().getName() + " does not support circular references");
}
if (this.earlySingletonInstance == null) {
this.earlySingletonInstance = (T) Proxy.newProxyInstance(
this.beanClassLoader, ifcs, new EarlySingletonInvocationHandler());
}
return this.earlySingletonInstance;
}
MyBatis的ErrorContext使用了ThreadLocal
public class ErrorContext {
private static final ThreadLocal<ErrorContext> LOCAL = new ThreadLocal<>();
private ErrorContext() {
}
public static ErrorContext instance() {
ErrorContext context = LOCAL.get();
if (context == null) {
context = new ErrorContext();
LOCAL.set(context);
}
return context;
}
}
7.单例模式小结
单例模式优点：
- 在内存中只有一个实例，减少了内存开销。
- 可以避免资源的多重占用。
- 设置全局访问点，严格控制访问。
单例模式的缺点：
- 没有接口，扩展困难。
- 如果要扩展单例对象，只有修改代码，没有其他途径。
学习单例模式的知识重点总结
- 私有化构造器
- 保证线程安全
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。希望“小伙伴们”
通过本章的学习，对单例模式有了非常深刻的认识，在面试中彰显技术深度，提升核心竞争力，给面试
加分，顺利拿到录取通知（Offer）。
8.作业
1、解决容器式单例的线程安全问题。
两种方法：双重检查锁，利用ConcurrentHashMap#putIfAbsent()方法的原子性。
public class ContainerSingleton {
private static Map<String, Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String, Object>();
private ContainerSingleton() {
throw new RuntimeException("不可被实例化！");
}
// 方法一：双重检查锁
public static Object getInstance(String className) {
Object instance = null;
if (!ioc.containsKey(className)) {
synchronized (ContainerSingleton.class) {
if (!ioc.containsKey(className)) {
try {
instance = Class.forName(className).newInstance();
ioc.put(className, instance);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return instance;
} else {
return ioc.get(className);
}
}
}
return ioc.get(className);
}
// 方法二：利用ConcurrentHashMap#putIfAbsent()方法的原子性
public static Object getInstance1(String className){
Object instance = null;
try {
ioc.putIfAbsent(className, Class.forName(className).newInstance());
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
return ioc.get(className);
}
}
