万字总结之单例模式
前言
这里不得不先吐槽下，尤其是接手原来的老项目，负责人已经溜了，你不得不上。哎，要是代码写的优雅，注释明了，那就是祖上烧高香了，得此优秀项目。那要是写的一团糟，代码耦合性强，牵一发而动全身，注释根本没有，变量名方法名不规范，甚至用拼音的，那真的分分钟想打人的心都有了。那读代码根本就靠猜好吗，完全考验你和对方的心有灵犀程度。哎，算了，小仙女不生气，要温柔（微笑脸）。
吐槽结束，那我们平常的要多学习下设计模式，写出不让人吐槽的代码。之前文章已经说过了设计模式的七大原则，即接口屏蔽原则，开闭原则，依赖倒转原则，迪米特原则，里氏替换原则，单一职责原则，合成复用原则，不明白的，可以移至XXXX（代写）。从今天开始我们就要学习一些常见的设计模式，方便我们以后看源码使用，当然，也可以指导我们平常的编码任务。
我们常见的设计模式主要有23种，分为3种类型，咱也不全说，只写重要的几个把。
创建型：单例模式，工厂模式，原型模式
结构型：适配器模式，装饰模式，代理模式
行为型：模板模式，观察者模式，状态模式，责任链模式
单例模式的概念和作用
概念
系统中只需要一个全局的实例，比如一些工具类，Converter，SqlSession等。
为什么要用单例模式？
- 只有一个全局的实例，减少了内存开支，特别是某个对象需要频繁的创建和销毁的时候，而创建和销毁的过程由jvm执行，我们无法对其进行优化，所以单例模式的优势就显现出来啦。
- 单例模式可以避免对资源的多重占用，避免出现多线程的复杂问题。
单例模式的写法重点
构造方法私有化
我们需要将构造方法私有化，而默认不写的话，是公有的构造方法，外部可以显式的调用来创建对象，我们的目的是让外部不能创建对象。
提供获取实例的公有方法
对外只提供一个公有的的方法，用来获取实例，而这个实例是否是唯一的，单例的，由方法决定，外部无需关心。
单例模式的常见写法（如下，重点）
饿汉式和懒汉式的区别
饿汉式，从名字上也很好理解，就是“比较饿”，迫不及待的想吃饭，实例在初始化的时候就已经建好了，不管你有没有用到，都先建好了再说。
懒汉式，从名字上也很好理解，就是“比较懒”，不想吃饭，等饿的时候再吃。在初始化的时候先不建好对象，如果之后用到了，再创建对象。
1.饿汉式（静态变量）--可以使用
a.测试
A类
public class A {
//私有的构造方法
private A(){}
//私有的静态变量
private final static A a=new A();
//对外的公有方法
public static A getInstance(){
return a;
}
}测试类
public class test {
public static void main(String[] args){
A a1=A.getInstance();
System.out.println(a1.hashCode());
A a2=A.getInstance();
System.out.println(a2.hashCode());
}
}运行结果
b.说明
该方法采用的静态常量的方法来生成对应的实例，其只在类加载的时候就生成了，后续并不会再生成，所以其为单例的。
c.优点
在类加载的时候，就完成实例化，避免线程同步问题。
d.缺点
没有达到懒加载的效果，如果从始到终都没有用到这个实例，可能会导致内存的浪费。
2.饿汉式（静态代码块）--可以使用
a.测试
A类
public class A {
//私有的构造方法
private A(){}
//私有的静态变量
private final static A a;
//静态代码块
static{ a=new A(); }
//对外的公有方法
public static A getInstance(){
return a;
}
}
测试类
public class test {
public static void main(String[] args){
A a1=A.getInstance();
System.out.println(a1.hashCode());
A a2=A.getInstance();
System.out.println(a2.hashCode());
}
}
运行结果
b.说明
该静态代码块的饿汉式单例模式与静态变量的饿汉式模式大同小异，只是将初始化过程移到了静态代码块中。
c.优点缺点
与静态变量饿汉式的优缺点类似。
3.懒汉式
a.测试
A类
public class A {
//私有的构造方法
private A(){}
//私有的静态变量
private static A a;
//对外的公有方法
public static A getInstance(){
if(a==null){
a=new A();
}
return a;
}
}
测试类和运行结果同上。
b.优点
该方法的确做到了用到即加载，也就是当调用getInstance的时候，才判断是否有该对象，如果不为空，则直接放回，如果为空，则新建一个对象并返回，达到了懒加载的效果。
c.缺点
当多线程的时候，可能会产生多个实例。比如我有两个线程，同时调用getInstance方法，并都到了if语句，他们都新建了对象，那这里就不是单例的啦。
4.懒汉式（线程安全，同步方法）--可以使用
a.代码
public class A {
//私有的构造方法
private A(){}
//私有的静态变量
private static A a;
//对外的公有方法
public synchronized static A getInstance(){
if(a==null){
a=new A();
}
return a;
}
}
测试类和运行结果同上。
b.优点
通过synchronize关键字，解决了线程不安全的问题。如果两个线程同时调用getInstance方法时，那就先执行一个线程，另一个等待，等第一个线程运行结束了，另一个等待的开始执行。
c.缺点
这种方法是解决了线程不安全的问题，却给性能带来了很大的问题，效率太低了，getInstance经常发生，每一次都要同步这个方法。
我们想着既然是方法同步导致了性能的问题，我们核心的代码就是新建对象的过程，也就是new A();的过程，我们能不能只对部分代码进行同步呢?那就是方法5啦。
5.懒汉式（线程不安全）
a.代码
public class A {
//私有的构造方法
private A(){}
//私有的静态变量
private static A a;
public static A getInstance(){
if(a==null){
synchronized (A.class){
a=new A();
}
}
return a;
}
}
测试类和运行结果如上。
b.优点
懒汉式的通用优点，用到才创建，达到懒加载的效果。
c.缺点
这个没有意义，并没有解决多线程的问题。我们可以看到如果两个线程同时调用getInstance方法，并且都已经进入了if语句，即synchronized的位置，即便同步了，第一个线程先执行，进入synchronized同步的代码块，创建了对象，另一个进入等待状态，等第一个线程执行结束，第二个线程还是会进入synchronized同步的代码块，创建对象。这个时候我们可以发现，对这代码块加了synchronized没有任何意义，还是创建了多个对象，并不符合单例。
6.双重检查 --强烈推荐使用
a.代码
public class A {
//私有的构造方法
private A() {
}
//私有的静态变量
private volatile static A a;
//对外的公有方法
public static A getInstance() {
if (a == null) {
synchronized (A.class) {
if (a == null) {
a = new A();
}
}
}
return a;
}
}
测试类和运行结果同上。
b.优点
强烈推荐使用，这种写法既避免了在多线程中出现线程不安全的情况，也能提高性能。咱具体来说，如果两个线程同时调用了getInstance方法，并且都已到达了if语句之后，synchronized语句之前，此时第一个线程进入synchronized之中，先判断是否为空，很显然第一次肯定为空，那么则新建了对象。等到第二个线程进入synchronized之中，先判断是否为空，显然第一个已经创建了，所以即不新建对象。下次，不管是一个线程或者多个线程，在第一个if语句那就判断出有对象了，便直接返回啦，根本进不了里面的代码。
c.缺点
就是这么完美，没有缺点，哈哈哈。
c.volatile（插曲）
咱先来看一个概念重排序，也就是语句的执行顺序会被重新安排。其主要分为三种：
1.编译器优化的重排序：可以重新安排语句的执行顺序。
2.指令级并行的重排序：现代处理器采用指令级并行技术，将多条指令重叠执行。
3.内存系统的重排序：由于处理器使用缓存和读写缓冲区，所以看上去可能是乱序的。
上面代码中的a = new A();可能被被JVM分解成如下代码：
// 可以分解为以下三个步骤
1 memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
2 ctorInstanc(memory) //初始化对象
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址 // 上述三个步骤可能会被重排序为 1-3-2，也就是：
1 memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址
2 ctorInstanc(memory) //初始化对象
一旦假设发生了这样的重排序，比如线程A在执行了步骤1和步骤3，但是步骤2还没有执行完。这个时候线程B有进入了第一个if语句，它会判断a不为空，即直接返回了a。其实这是一个未初始化完成的a，即会出现问题。
所以我们会将入volatile关键字，来禁止这样的重排序，即可正常运行。
7.静态内部类 --强烈推荐使用
a.代码
public class A {
//私有构造函数
private A() {
}
//私有的静态内部类
private static class B {
//私有的静态变量
private static A a = new A();
}
//对外的公有方法
public static A getInstance() {
return B.a;
}
}
b.优点
B在A装载的时候并不会装载，而是会在调用getInstance的时候装载，这利用了JVM的装载机制。这样一来，优点有两点，其一就是没有A加载的时候，就装载了a对象，而是在调用的时候才装载，避免了资源的浪费。其二是多线程状态下，没有线程安全性的问题。
c.缺点
没有缺点，太完美啦。
8.枚举 --Java粑粑强烈推荐使用
问题1：私有构造器并不安全
如果不明白反射，可以查看我之前的文章，传送门，万字总结之反射（框架之魂）。如果我们的对象是通过反射方法invoke出来，这样新建的对象与通过调用getInstance新建的对象是不一样的，具体咱来看代码。
public class test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
A a=A.getInstance();
A b=A.getInstance();
System.out.println("a的hash："+a.hashCode()+",b的hash："+b.hashCode());
Constructor<A> constructor=A.class.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
A c=constructor.newInstance();
System.out.println("a的hash："+a.hashCode()+",c的hash："+c.hashCode());
}
}
我们来看下运行结果：
我们可以看到c的hashcode是和a,b不一样，因为c是通过构造器反射出来的，由此可以证明私有构造器所组成的单例模式并不是十分安全的。
问题2：序列化问题
我们先将A类实现一个Serializable接口，具体代码如下，跟之前的双重if检查一样，只是多了个接口。
public class A implements Serializable {
//私有的构造方法
private A() {
}
//私有的静态变量
private volatile static A a;
//对外的公有方法
public static A getInstance() {
if (a == null) {
synchronized (A.class) {
if (a == null) {
a = new A();
}
}
}
return a;
}
}
测试类:
public class test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
A s = A.getInstance();
//写
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("学习Java的小姐姐"));
oos.writeObject(s);
oos.flush();
oos.close();
//读
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("学习Java的小姐姐"));
A s1 = (A)ois.readObject();
ois.close();
System.out.println(s+"\n"+s1);
System.out.println("序列化前后两个是否同一个："+(s==s1));
}
}我们来看下运行结果，很显然序列化前后两个对象并不相等。为什么会出现这种问题呢？这个讲起来，又可以写一篇文章了。简单来说，任何一个readObject方法，不管是显式的还是默认的，它都会返回一个新建的实例，这个新建的实例不同于该类初始化时创建的实例。
引出枚举
public enum A {
a;
public A getInstance(){
return a;
}
}
看着代码量很少，我们将其编译下，代码如下：
public final class A extends Enum< A> {
public static final A a;
public static A[] values();
public static AvalueOf(String s);
static {};
}
如何解决问题1？
public class test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
A a1 = A.a;
A a2 = A.a;
System.out.println("正常情况下，实例化两个实例是否相同：" + (a1 == a2));
Constructor<A> constructor = null;
constructor = A.class.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
A a3 = null;
a3 = constructor.newInstance();
System.out.println("a1的hash:" + a1.hashCode() + ",a2的hash:" + a2.hashCode() + ",a3的hash:" + a3.hashCode());
System.out.println("通过反射攻击单例模式情况下，实例化两个实例是否相同：" + (a1 == a3));
}
}
运行结果：
我们看到报错了，是在寻找构造函数的时候报错的，即没有无参的构造方法，那我们看下他继承的父类ENUM有没有构造函数，看下源码，发现有个两个参数String和int类型的构造方法，我们再看下是不是构造方法的问题。
我们再用父类的有参构造方法试下，代码如下：
public class test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
A a1 = A.a;
A a2 = A.a;
System.out.println("正常情况下，实例化两个实例是否相同：" + (a1 == a2));
Constructor<A> constructor = null;
constructor = A.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);//其父类的构造器
constructor.setAccessible(true);
A a3 = null;
a3 = constructor.newInstance("学习Java的小姐姐",1);
System.out.println("a1的hash:" + a1.hashCode() + ",a2的hash:" + a2.hashCode() + ",a3的hash:" + a3.hashCode());
System.out.println("通过反射攻击单例模式情况下，实例化两个实例是否相同：" + (a1 == a3));
}
}
运行结果如下：
我们发现报错信息的位置已经换了，现在是已经有构造方法，而是在newInstance方法的时候报错了，我们跟下源码发现，人家已经明确写明了如果是枚举类型，直接抛出异常，代码如下，所以是无法使用反射来操作枚举类型的数据的。
如何解决问题2？
public class test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
A s = A.a;
//写
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("学习Java的小姐姐"));
oos.writeObject(s);
oos.flush();
oos.close();
//读
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("学习Java的小姐姐"));
A s1 = (A)ois.readObject();
ois.close();
System.out.println(s+"\n"+s1);
System.out.println("序列化前后两个是否同一个："+(s==s1));
}
}
运行结果;
优点
避免了反射带来的对象不一致问题和反序列问题，简单来说，就是简单高效没问题。
结语
看到这里的都是真爱的，在这里先谢谢各位大佬啦。
单例模式是最简单的一种设计模式，主要包括八种形式，分别是饿汉式静态变量，饿汉式静态代码块，懒汉式线程不安全，懒汉式线程安全，懒汉式线程不安全（没啥意义），懒汉式双重否定线程安全，内部静态类，枚举类型。
这几种最优的是枚举类型和内部静态类，其次是懒汉式双重否定，剩下的都差不多啦。
如果有说的不对的地方，还请各位指正，我继续学习去。
腾讯云开发者
