单例模式的安全性演进

Java 中的单例（Singleton）模式是一种广泛使用的设计模式。单例模式的主要作用是保证在 Java 程序中，某个类只有一个实例存在。一些管理器和控制器常被设计成单例模式。

单例模式有很多好处，它能够避免实例对象的重复创建，不仅可以减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间；能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。如果一个对象有可能贯穿整个应用程序的生命周期，而且起到了全局统一管理控制的作用，那么单例模式也许是一个值得考虑的选择。

单例模式有很多种写法，大部分写法都或多或少有一些不足。下面将分别对这几种写法进行介绍。

1. 饿汉模式

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
public class Singleton {

    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
        super();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

从代码中我们看到，类的构造函数被定义为 private 的，保证其他类不能实例化此类，然后提供了一个静态实例并返回给调用者。饿汉模式是最简单的一种实现方式，静态变量在类加载的时候就对实例进行创建，实例在整个程序周期都存在。它的好处是静态变量只在类加载的时候创建一次实例，不存在多个线程创建多个实例的情况，避免了多线程同步的问题。它的缺点也很明显，即使这个单例没有用到也会被创建，而且在类加载之后就被创建，内存就被浪费了。

这种实现方式适合单例占用内存比较小，在初始化时就会被用到的情况。但是，如果单例占用的内存比较大，或单例只是在某个特定场景下才会用到，使用饿汉模式就不合适了，这时候就需要用到懒汉模式进行延迟加载。

2. 懒汉模式

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        super();
    }

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

}

懒汉模式中的单例是在需要的时候才去创建的，如果单例已经创建，再次调用获取接口将不会重新创建新的对象，而是直接返回之前创建的对象。如果某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多，那么就需要实现单例的按需创建，这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。但是这里的懒汉模式并没有考虑线程安全问题，在多个线程并发调用它的 getInstance() 方法时，会导致创建多个实例，因此需要加锁解决线程同步问题，实现如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        super();
    }

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

3. 双重校验锁

加锁的懒汉模式看起来即解决了线程并发问题，又实现了延迟加载，然而它存在着性能问题，依然不够完美。因为 synchronized 修饰的同步方法具有互斥性，即在同一时刻只有一个线程能够进入到同步代码块或同步方法中，如果有多个线程调用 getInstance()，那么后续加入的线程只能等待已持有锁的线程执行完毕并释放锁，这样累积的性能损耗就比较大了。因此就有了双重校验锁，先看下它的实现代码：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        super();
    }

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

}

可以看到上面在同步代码块外多了一层 instance 为空的判断。由于单例对象只需要创建一次，如果后面再次调用 getInstance() 只需要直接返回单例对象。因此，大部分情况下，调用 getInstance() 都不会执行到同步代码块，从而提高了程序性能。不过还需要考虑一种情况，假如两个线程 A 和 B，A 执行了 if (instance == null) 语句，它会认为单例对象没有创建，此时线程切到 B 也执行了同样的语句，B 也认为单例对象没有创建，然后两个线程依次执行同步代码块，并分别创建了一个单例对象。为了解决这个问题，还需要在同步代码块中增加 if (instance == null) 语句。

我们看到双重校验锁既实现了延迟加载，又解决了线程并发问题，同时还解决了执行效率问题，是否真的就万无一失了呢？

这里要提到 Java 中的指令重排优化。所谓指令重排优化是指在不改变原语义的情况下，通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快。JVM 中并没有规定编译器优化相关的内容，也就是说 JVM 可以自由的进行指令重排序的优化。

这个问题的关键就在于由于指令重排优化的存在，导致初始化 Singleton 和将对象地址赋给 instance 字段的顺序是不确定的。在某个线程创建单例对象时，在构造方法被调用之前，就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。此时就可以将分配的内存地址赋值给 instance 字段了，然而该对象可能还没有初始化。若紧接着另外一个线程来调用 getInstance()，取到的就是状态不正确的对象，程序就会出错。

以上就是双重校验锁会失效的原因，不过还好在 JDK1.5 及之后版本增加了 volatile 关键字。volatile 的一个语义是禁止指令重排序优化，也就保证了 instance 变量被赋值的时候对象已经是初始化过的，从而避免了上面说到的问题。代码如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
public class Singleton {

    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {
        super();
    }

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

}

4. 静态内部类

除了上面的三种方式，还有另外一种实现单例的方式，通过静态内部类来实现。首先看一下它的实现代码：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
public class Singleton {

    private Singleton() {
        super();
    }

    public static class SingletonHolder {
        static Singleton instance = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }

}

这种方式同样利用了类加载机制来保证只创建一个 instance 实例。它与饿汉模式一样，也是利用了类加载机制，因此不存在多线程并发的问题。不一样的是，它是在内部类里面去创建对象实例。这样的话，只要应用中不使用内部类，JVM 就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全。

5. 枚举

枚举类实现单例模式是《effective java》作者极力推荐的单例实现模式，枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次，设计者充分利用了这个特性来实现单例模式，并且枚举类型是所用单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
public class Singleton {

    private Singleton() {
        super();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE.getInstance();
    }

    private enum SingletonHolder {
        INSTANCE;

        private Singleton singleton;

        SingletonHolder() {
            singleton = new Singleton();
        }

        public Singleton getInstance() {
            return singleton;
        }

    }

}

6. 防止单例被攻击

枚举方式实现的单例之所以安全，是因为它可以规避反射和反序列化的攻击。而其他方法基本上都可以通过反射的方式生成新的对象。另外，如果单例类实现了序列化接口，又面临着反序列化生成新对象的问题。

6.1 防止反射攻击

除枚举方式外, 其他方法都可以通过反射的方式破坏单例，反射是通过调用构造方法生成新的对象，所以如果我们想要阻止单例破坏，可以在构造方法中进行判断，若已有实例，则阻止生成新的实例。实现如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
public class Singleton {

    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("实例已存在，请通过 getInstance() 方法获取");
        }
    }

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

6.2 防止序列化攻击

如果单例类实现了序列化接口 Serializable， 就可以通过反序列化破坏单例。如果非得实现序列化接口，可以重写反序列化方法 readResolve()，在反序列化时直接返回相关单例对象。实现如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
public class Singleton implements Serializable {

    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("实例已存在，请通过 getInstance() 方法获取");
        }
    }

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

    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return instance;
    }

}

7. 总结

本文总结了五种 Java 中实现单例的方法，其中前两种都不够完美，双重校验锁和静态内部类的方式可以解决大部分问题，平时工作中使用的最多的也是这两种方式。枚举方式虽然很完美的解决了各种问题，但是这种写法多少让人感觉有些生疏。个人的建议是，在没有特殊需求的情况下，使用第三种和第四种方式实现单例模式。

赏

谢谢你请我吃糖果

扫一扫，分享到微信

微信分享二维码

tag:

    缺失模块。
    1、请确保node版本大于6.2
    2、在博客根目录（注意不是yilia根目录）执行以下命令：
    npm i hexo-generator-json-content --save

    3、在根目录_config.yml里添加配置： 

      jsonContent:
    meta: false
    pages: false
    posts:
      title: true
      date: true
      path: true
      text: false
      raw: false
      content: false
      slug: false
      updated: false
      comments: false
      link: false
      permalink: false
      excerpt: false
      categories: false
      tags: true

慢慢的<br>慢慢的<br>去改变世界