java设计模式之单例模式（枚举、静态内部类、ThreadLocal）

时间  2019-11-12
标签 java 设计 模式 枚举 静态 部类 threadlocal 栏目 Java 繁體版
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一、静态内部类

public class InnerClassSingleton implements Serializable {
    
    //无参构造函数
    private InnerClassSingleton(){};
    
    public static final InnerClassSingleton getInstance(){
        return InnerClassHelper.INSTANCE;
    }
    
    //内部类
    private static class InnerClassHelper{
        private static final InnerClassSingleton INSTANCE = new InnerClassSingleton();
    }
}

它的原理是利用了类加载机制。java

1.一、可是它能够被反射破坏
Class clazz = InnerClassSingleton.class;
        Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
        c.setAccessible(true);
        Object o1 = c.newInstance();

        Object o2 = InnerClassSingleton.getInstance();

执行这段代码会发现o1<>o2，这就破坏了单例。
为何呢？罪魁祸首就是以下代码，它是反射的newInstance()的底层实现。ide

UnsafeFieldAccessorImpl.unsafe.allocateInstance(class)

咱们知道new建立对象时会被编译成3条指令：函数

  • 一、根据类型分配一块内存区域
  • 二、把第一条指令返回的内存地址压入操做数栈顶
  • 三、调用类的构造函数

而Unsafe.allocateInstance()方法值作了第一步和第二步，即分配内存空间，返回内存地址，没有作第三步调用构造函数。因此Unsafe.allocateInstance()方法建立的对象都是只有初始值，没有默认值也没有构造函数设置的值，由于它彻底没有使用new机制，绕过了构造函数直接操做内存建立了对象，而单例是经过私有化构造函数来保证的，这就使得单例失败。性能

1.二、还能够被反序列化破坏
InnerClassSingleton o1 = null;
InnerClassSingleton o2 = InnerClassSingleton.getInstance();

FileOutputStream fos = new FileOutputStream("InnerClassSingleton.obj");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(o2);
oos.flush();
oos.close();

FileInputStream fis = new FileInputStream("InnerClassSingleton.obj");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
o1 = (InnerClassSingleton) ois.readObject();
ois.close();

System.out.println(o1);
System.out.println(o2);

执行完这段代码咱们又会发现o1<>o2，可见经过反序列化，成功破坏了单例，建立了2个对象。
那么如何避免这种状况发生呢？很简单，只要在代码中添加：this

public class InnerClassSingleton implements Serializable {
	....省略重复代码
	private Object readResolve(){
		return InnerClassHelper.INSTANCE;
	}
}

这时候咱们能够再执行一下上面反序列化的方法，会很神奇的发现o1==o2，那这是为何呢？咱们一块儿来看下ois.readObject()的源码：线程

private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
	...省略
	case TC_OBJECT:
	  return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));
}
-------------------------------------------------------------------
private Object readOrdinaryObject(boolean unshared){
	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 {
	//重点！！！
	//首先isInstantiable()判断是否能够初始化
	//若是为true，则调用newInstance()方法建立对象，这时建立的对象是不走构造函数的，是一个新的对象
            obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
        } catch (Exception ex) {
            throw (IOException) new InvalidClassException(
                desc.forClass().getName(),
                "unable to create instance").initCause(ex);
        }

        passHandle = handles.assign(unshared ? unsharedMarker : obj);
        ClassNotFoundException resolveEx = desc.getResolveException();
        if (resolveEx != null) {
            handles.markException(passHandle, resolveEx);
        }

        if (desc.isExternalizable()) {
            readExternalData((Externalizable) obj, desc);
        } else {
            readSerialData(obj, desc);
        }

        handles.finish(passHandle);
	
	//重点！！！
	//hasReadResolveMethod()会去判断，咱们的InnerClassSingleton对象中是否有readResolve()方法
        if (obj != null &&
            handles.lookupException(passHandle) == null &&
            desc.hasReadResolveMethod())
        {
	//若是为true，则执行readResolve()方法，而咱们在本身的readResolve()方法中 直接retrun INSTANCE，因此仍是返回的同一个对象，保证了单例
            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;
}

最后总结一下静态内部类写法：code

  • 优势：不用synchronized，性能好；简单
  • 缺点：没法避免被反射、反序列化破坏

二、枚举

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;
    }
}

反编译这段代码，获得：对象

static
        {
            INSTANCE = new EnumSingleton("INSTANCE",0);
            $VALUE = (new EnumSingleton[] {
                    INSTANCE
            });
        }

显然这是一种饿汉式的写法，用static代码块来保证单例（在类加载的时候就初始化了）。ip

2.一、能够避免被反射破坏
//反射
Class clazz = EnumSingleton.class;
//拿到构造函数
Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
c.setAccessible(true);
EnumSingleton instance1 = (EnumSingleton)c.newInstance("smart", 111);
-----------------------------------------------------------------------------------------
public T newInstance(Object ... initargs){
	if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
   	   throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
}

能够看到，在newInstance()方法中，作了类型判断，若是是枚举类型，直接抛出异常。也就是说从jdk层面保证了枚举不能被反射。内存

2.二、能够避免被反序列化破坏

Java规范中规定，每个枚举类型极其定义的枚举变量在JVM中都是惟一的，在序列化的时候Java仅仅是将枚举对象的name属性输出到结果中，反序列化的时候则是经过 java.lang.Enum 的 valueOf() 方法来根据名字查找枚举对象。

...省略
EnumSingleton o1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
-----------------------------------------------------------------------------------
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
	...省略
	case TC_ENUM:
	  return checkResolve(readEnum(unshared));
}
-------------------------------------------------------------------
private Object readEnum(boolean unshared){
	...省略
	String name = readString(false);
        Enum<?> result = null;
        Class<?> cl = desc.forClass();
        if (cl != null) {
            try {
                @SuppressWarnings("unchecked")
		//重点！！！
		//经过valueOf方法获取Enum，参数为class和name
                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);
            }
        }
}

因此序列化的时候只将 INSTANCE 这个名称输出，反序列化的时候再经过这个名称，查找对应的枚举类型，所以反序列化后的实例也会和以前被序列化的对象实例相同。

三、ThreadLocal单例模式

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

这种写法利用了ThreadLocal的特性，能够保证局部单例，即在各自的线程中是单例的，可是线程与线程之间不保证单例。

应用场景(在Spring的第三方包baomidou的多数据源中，有用到这种写法)：
package com.baomidou.dynamic.datasource.toolkit;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;

public final class DynamicDataSourceContextHolder {
	//重点！！！
	private static final ThreadLocal<LinkedBlockingDeque<String>> LOOKUP_KEY_HOLDER = new ThreadLocal() {
        protected Object initialValue() {
            return new LinkedBlockingDeque();
        }
	private DynamicDataSourceContextHolder() {
    }

    public static String getDataSourceLookupKey() {
        LinkedBlockingDeque<String> deque = (LinkedBlockingDeque)LOOKUP_KEY_HOLDER.get();
        return deque.isEmpty() ? null : (String)deque.getFirst();
    }

    public static void setDataSourceLookupKey(String dataSourceLookupKey) {
        ((LinkedBlockingDeque)LOOKUP_KEY_HOLDER.get()).addFirst(dataSourceLookupKey);
    }

    public static void clearDataSourceLookupKey() {
        LinkedBlockingDeque<String> deque = (LinkedBlockingDeque)LOOKUP_KEY_HOLDER.get();
        if (deque.isEmpty()) {
            LOOKUP_KEY_HOLDER.remove();
        } else {
            deque.pollFirst();
        }
    }
    };
}

PS：initialValue()通常是用来在使用时进行重写的，若是在没有set的时候就调用get，会调用initialValue方法初始化内容。

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