深入探讨单例模式

最近学习了一下单例模式，看bilibili up主“狂神说Java”讲完后，发现大部分博客都少了一个很有趣的环节，不分享出来实在是太可惜了，原视频 https://www.bilibili.com/video/BV1K54y197iS

1、了解单例

这个部分小部分我相信很多博客都讲的很好，我就尽量精简了

1. 注意：

• 单例类只能有一个实例
• 这个实例由自己创建
• 这个实例必须提供给外界

2. 关键：构造器私有化
3. 创建方法:

• 饿汉式
• 懒汉式

总结：我认为创建方法可以归根于两种，一种是饿汉式，我在类的加载的时候就创建；还有一种懒汉式，只有在我需要的时候才去创建

2、思路及实现

【饿汉模式最基本的实现】

在类加载的时候就已经创建了，这个模式下，线程是安全的，不同的线程拿到的都是同一个实例，但是，这个也存在空间浪费的问题，我不需要的时候你也加载了。

//饿汉模式
 public class HungerSingle {
    private static HungerSingle single = new HungerSingle();
    //构造器私有，外界不能通过构造方法new对象，保证唯一
    private HungerSingle() {
    }
    //提供外界获得该单例的方法,注意方法只能是static方法，因为没有类实例
    public static HungerSingle getInstance(){
        return single;
    }
}

【懒汉模式最基本的实现】

为了解决上述那个空间浪费问题，这时候懒汉模式就起作用了，你需要我的时候我再去创建这个实例

//懒汉模式
public class LazySingle {
    private static LazySingle single;
    //构造器私有化，禁止外部new生成对象
    private LazySingle(){
    }
    //外界获得该单例的方法
    public static LazySingle getInstance(){
        if(single == null){
            single = new LazySingle();
        }
        return single;
    }
 }

一位热心前辈的评论：“像你这样写单例，在我们公司是要被开除的。”
趁我还是学生，怀着以后不被开除的心情，继续学习下去
原来懒汉模式下，单例线程是不安全的。

怎么测试呢？如下

【测试懒汉模式线程不安全】

//1、构造器
private LazySingle(){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}

//创建十个线程
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    new Thread(()->{
         Singleton2.getInstance();
    }).start();
}

此时你会发现，构造方法调用了不止一次，说明没有实现预期的单例

平时我们解决线程不安全的方法：不就是线程不安全嘛，那好办，加锁

【双重检测锁/DCL】

public class DCLSingle {
    private static DCLSingle single;
    private DCLSingle(){
    }
    public static DCLSingle getInstance(){
        //第一次判断，没有这个对象才加锁
        if(single == null){
            //哪个需要保护，就锁哪个
            synchronized (DCLSingle.class){
                //第二次判断，没有就实例化
                if(single == null){
                    single = new DCLSingle();
                }
            }
        }
        return single;
    }

}

仔细和别人代码一比对，发现我少了个volatile关键字，这是啥玩意？
不懂就问。

【volatile】
为了避免指令重排

//上述代码声明上面加上volatile关键字
 private volatile static DCLSingle single;

啥是volatile ？

引用自别人博客
https://www.cnblogs.com/YLsY/p/11295732.html

加volatile是为了出现脏读的出现，保证操作的原子性

1、原子性操作：不可再分割的操作
例如：single = new DCLSingle();
其实就是两步操作：
①new DCLSingle();//开辟堆内存
②singl指向对内存

2、脏读
Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中，每个线程都有自己的工作内存。
线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。
并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
变量的值何时从线程的工作内存写回主存，无法确定。

3、指令重排
single = new DCLSingle();
先执行②
后执行①
//先指向堆内存，还未完成构造


【模拟情况】
①线程1执行，在自己的工作内存定义引用，先指向堆内存，还未构造完成
②此时线程2执行，它进行判断，引用已经指向了内存，所以线程2，认为构造完成，实际还未构造完成

还有一种差点忘记说了，也是菜鸟教程说建议使用的方式

【静态内部类实现单例】

public class Singleton {
    private Singleton(){}
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder .INSTANCE;
    }
}

你会发现它和前面讲的普通饿汉式很像，我把它也归于饿汉式一类，因为它也是直接就new Singleton，但是它却有着懒加载的效果，而这种方式是 Singleton 类被装载了，INSTANCE不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 INSTANCE。

【建议】建议使用静态内部类实现

3、如何破化单例（其它大部分博客没有的内容）

在这里感谢b站up【狂神说java】

在面试官面前装逼的时候来了

java语言实现动态化的灵魂——反射，说：没有什么是我不能改变的，看我来如何操作。

【反射破坏单例】

public class DCLSingle {
    private static DCLSingle single;
    private DCLSingle(){
    }
    public static DCLSingle getInstance(){
        //第一次判断，没有这个对象才加锁
        if(single == null){
            //哪个需要保护，就锁哪个
            synchronized (DCLSingle.class){
                //第二次判断，没有就实例化
                if(single == null){
                    single = new DCLSingle();
                }
            }
        }
        return single;
    }
    
    //通过反射破化单例
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        LazySingle single = LazySingle.getInstance();
        Constructor<LazySingle> constructor = LazySingle.class.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true);
        LazySingle single1 = constructor.newInstance();
        System.out.println(single == single1);//false
    }

}

得到单例类的构造器，然后通过newInstance的方法创建对象，很明显破化了单例

【改进代码，防止你搞破化】

既然这次你是通过得到构造器破化的，那我给构造器加个方法,如果你已经创建了实例，那就抛出异常

private LazySingle(){
    synchronized(LazySingle.class){
        if(single!=null){
            throw new RuntimeException("破坏失败");
        }
    }
}

但是这个又有问题，这里的判断是private static DCLSingle single 是否有值，如果我们都不通过getInstance()方法创建对象，而是这样

public static void main(String[] args) throws Exception {
 //   LazySingle single = LazySingle.getInstance();
    Constructor<LazySingle> constructor = LazySingle.class.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    
    //注意：这里的对象不是单例类中里面属性的那个对象
    LazySingle single = constructor.newInstance();
    LazySingle single1 = constructor.newInstance();
    System.out.println(single == single1);//false
}

这里根本不会抛出异常，而是又破坏了单例

【继续改进代码，防止搞破化】
简直就是相爱相杀呀，我们可以利用红路灯原理，防止破化
改进构造方法

//加个标志
private static String sign = "password";
private LazySingle(){
    synchronized(LazySingle.class){
        if(single!=null || !"password".equals(sign)){
            throw new RuntimeException("破坏失败");
        }else{
            sign = "no";
        }
    }
    
}

此刻你通过上述main()方法里面的内容测试，发现又会抛出异常。然而我们能通过反射获得构造方法，那我们同样也能通过反射获取对象的属性以及值吧

【再度破化】

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Constructor<LazySingle> constructor = LazySingle.class.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Field field = LazySingle.class.getDeclaredField("sign");
    //此处省略通过反射获取该属性的类型和方法....
    LazySingle single1 = constructor.newInstance();
    //重新变回原标志位
    field.set("sign","password");
    LazySingle single2 = constructor.newInstance();
    System.out.println(single2 == single1);//false
}

又被破化了

【再次改进】

我们将目光抛向枚举，
jdk1.5之后，出现枚举
利用枚举实现不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化（菜鸟教程官方术语）

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public Singleton getInstance() {  
        return INSTANCE
    }  
}

【反射能破化枚举的单例吗？】

1. 我们先要了解枚举是啥，它的底层是怎么实现的
2. 我们会发现枚举本身就是一个类
3. 通过反编译工具，查看枚举底层的构造方法
4. 通过反射获取构造方法
5. 重复上述反射测试

我们最终可以发现反射不能破化枚举的单例

这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。(菜鸟教程官方)

【总结】太难了