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单例模式详解

ds 2025/8/5 15:39:21

本文主要分享的内容是单例模式的应用场景、常见的单例模式写法、保证线程安全的单例模式策略、反射暴力攻击单例解决方案及原理分析、序列化破坏单例的原理及解决方案。

一、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。在 Spring 框架应用中 ApplicationContext；数据库的连接池也都是单例形式。

二、常见的单例模式写法

2.1 饿汉式单例

这种单例是在类加载的时候就马上初始化了，同时创建单例对象。这种方式不加任何锁，执行效率高，绝对的线程安全，但是缺点就是一开始就已经加载了，不管这个类最后有没有用到都会占用空间，浪费内存。饿汉式适用在单例对象较少的情况。Spring 中 IOC 容器 ApplicationContext 就是典型的饿汉式单例。下面是饿汉式单例的写法

/*** 饿汉式单例*/
public class HungrySingleton {private static final HungrySingleton hungrySingleton =new HungrySingleton();private HungrySingleton(){}public static HungrySingleton getInstance(){return hungrySingleton;}}

利用静态代码块加载的写法如下：

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

2.2 懒汉式单例

懒汉式单例的特点就是在被外部类调用的时候才会加载，相比饿汉式，这样可以减少内存空间的浪费，做到“按需加载”。

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

但是上面这种写法会带来一定的线程安全问题，当同时运行多个线程环境下 LazySimpleSingleton被实例化了多次。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。所以我们要给 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(){}private static LazySimpleSingleton lazy = null;public synchronized static LazySimpleSingleton getInstance(){if(lazy == null){lazy = new LazySimpleSingleton();}return lazy;}
}

在以上这种写法中，我们将其中一个线程执行并调用 getInstance()方法时，另一个线程再次调用 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 RUNNING 状态继续调用 getInstance()
方法，所以这个时候线程安全的问题便解决了。但是，用synchronized 加锁，在线程数量比较多情况下，如果 CPU 分配压力上升，会导致大批量线程出现阻塞，从而导致程序运行性能大幅下降。所以这个时候就需要用到双重检查锁的单例模式

//双重检查式单例
public class LazyDoubleCheckSingleton {//防止指令重排序private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazy = null;private LazyDoubleCheckSingleton(){}public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){if(lazy == null){synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class){if(lazy == null){lazy = new LazyDoubleCheckSingleton();}}}return lazy;}}

当第一个线程调用 getInstance()方法时，第二个线程也可以调用 getInstance()。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 LazySimpleSingleton 类的阻塞，而是在getInstance()方法内部阻塞。但是，用到 synchronized 关键字，总归是要上锁，对程序性能还是存在一定影响的。

所以我们最好的方式就是使用静态内部类的方式，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。

//内部类的方式实现
//这种形式兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾synchronized性能问题
public class LazyInnerClassSingleton {private static class LazyHolder{private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();}private  LazyInnerClassSingleton(){};public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){return LazyHolder.LAZY;}
}

但是，以上这种内部类的写法，当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。我们通过使用以下代码对这个内部类单例进行暴力破解：

public class LazyInnerClassSingletonTest {public static void main(String[] args) {try{//对单例进行破坏Class<?> clazz = LazyInnerClassSingleton.class;//通过反射拿到私有的构造方法Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);c.setAccessible(true);//暴力初始化,调用两次构造方法，相当于new了两次Object o1 = c.newInstance();Object o2 = c.newInstance();//对比两个对象是否相同System.out.println(o1);System.out.println(o2);System.out.println(o1 ==o2);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

运行结果如下：

cn.tf.pattern.singleton.lazy.LazyInnerClassSingleton@4b67cf4d
cn.tf.pattern.singleton.lazy.LazyInnerClassSingleton@7ea987ac
false

从运行结果，我们可以看出这里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：

//内部类的方式实现
//这种形式兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾synchronized性能问题
public class LazyInnerClassSingleton {private static class LazyHolder{private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();}private  LazyInnerClassSingleton(){if(LazyHolder.LAZY!=null){throw  new RuntimeException("不允许创建多个实例");}};public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){return LazyHolder.LAZY;}
}

当再次去暴力破解后就会提示“不允许创建多个实例”，从而保证单例的实现。

2.3 序列化单例

当我们将一个单例对象创建好，有时候需要将对象序列化然后写入到磁盘，下次使用时再从磁盘中读取到对象，反序列化转化为内存对象。

//序列化单例
public class SeriableSingleton implements Serializable {public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();private SeriableSingleton(){};public static SeriableSingleton getInstance(){return INSTANCE;}
}

对于这种写法的单例，我们可以通过以下暴力破解的方式来破坏这个单例：

/反序列化时导致单例破坏
public class SeriableSingletonTest {public static void main(String[] args) {SeriableSingleton s1=null;SeriableSingleton s2 = SeriableSingleton.getInstance();FileOutputStream fos = null;try{//将对象序列化然后写入到磁盘，下次使用时再从磁盘中读取到对象，反序列化转化为内存对象。fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(fos);os.writeObject(s2);os.flush();os.close();FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");ObjectInputStream is = new ObjectInputStream(fis);s1 = (SeriableSingleton) is.readObject();is.close();//反序列化后的对象会重新分配内存，//即重新创建。那如果序列化的目标的对象为单例对象，就违背了单例模式的初衷，相当//于破坏了单例System.out.println(s1);System.out.println(s2);System.out.println(s1==s2);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

运行结果如下：
cn.tf.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@7b23ec81
cn.tf.pattern.singleton.seriable.SeriableSingleton@6e0be858
false

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，在这里被实例化了两次，此时我们为了保证序列化的情况下也能够实现单例，需要将序列化单例优化成如下所示：

//序列化单例
public class SeriableSingleton implements Serializable {public final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();private SeriableSingleton(){};public static SeriableSingleton getInstance(){return INSTANCE;}//防止被序列化破坏private Object readResolve(){return INSTANCE;}}

对于增加的这个readResolve方法，我们可以在JDK源码中的ObjectInputStream中的readObject()方法中逐步找到，在readObject()中有一个readObject0()方法，进入readObject0()之后可以看到TC_OBJECTD 中判断，调用了 ObjectInputStream 的 readOrdinaryObject()方法，

private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {...case TC_OBJECT:return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));...
}

isInstantiable()里面的代码如下：

 boolean isInstantiable() {requireInitialized();return (cons != null);}

判断一下构造方法是否为空，构造方法不为空就返回 true。所以从这里可以看出，如果是有无参构造方法就会去实例化。在判断无参构造方法是否存在之后，又调用了 hasReadResolveMethod()方法，就是判断 readResolveMethod 是否为空，不为空就返回 true。

boolean hasReadResolveMethod() {
requireInitialized();
return (readResolveMethod != null);
}

通过全局查找找到了赋值代码在私有方法
ObjectStreamClass()方法中给 readResolveMethod 进行赋值，来看代码

readResolveMethod = getInheritableMethod(
cl, "readResolve", null, Object.class);

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，解决了单例被破坏的问题。但是，我们通过分析源码以及调试，我们可以看到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。那如果，创建对象的动作发生频率增大，就意味着内存分配开销也就随之增大。

2.4 ThreadLocal 线程单例

ThreadLocal 不能保证其创建的对象是全局唯一，但是能保证在单个线程中是唯一的，天生的线程安全。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间隔离的。

public class ThreadLocalSingleton {private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocal =new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>(){@Overrideprotected ThreadLocalSingleton initialValue() {return new ThreadLocalSingleton();}};private ThreadLocalSingleton(){};public static ThreadLocalSingleton getInstance(){return threadLocal.get();}}

2.5 注册式单例

注册式单例又称为登记式单例，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。注册式单例有两种写法：一种为容器缓存，一种为枚举登记。

2.4.1 容器式单例

容器式写法适用于创建实例非常多的情况，便于管理。但是，是非线程安全的。写法如下：

/*** 容器式单例，容器式写法适用于创建实例非常多的情况，便于管理。但是，是非线程安全的。*/
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);}}}}

2.4.2 枚举登记式单例

枚举式单例在静态代码块中就给 INSTANCE 进行了赋值，是饿汉式单例的实现。

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;}
}

序列化不能破坏枚举式单例，因为枚举类型其实通过类名和 Class 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。

 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);}}

同时反射也不能破坏枚举式单例，因为在JDK 源码中，进入 Constructor 的newInstance()方法，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，将会直接抛出异常。

@CallerSensitivepublic 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 volatileif (ca == null) {ca = acquireConstructorAccessor();}@SuppressWarnings("unchecked")T inst = (T) ca.newInstance(initargs);return inst;}