设计模式-单例模式

定义

单例设计模式（Singleton Design Pattern）理解起来非常简单。一个类只允许创建一个对象（或者实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模式，简称单例模式。
注意点

• 构造函数需要是 private 访问权限的，这样才能避免外部通过 new 创建实例；
• 考虑对象创建时的线程安全问题；
• 考虑是否支持延迟加载；
• 考虑 getInstance() 性能是否高（是否加锁）。

  实现

  1. 饿汉式

  ```java

public class IdGenerator { private AtomicLong id = new AtomicLong(0); private static final IdGenerator instance = new IdGenerator(); private IdGenerator() {} public static IdGenerator getInstance() { return instance; } public long getId() { return id.incrementAndGet(); } }

     有人觉得这种实现方式不好，因为不支持延迟加载，如果实例占用资源多（比如占用内存多）或初始化耗时长（比如需要加载各种配置文件），提前初始化实例是一种浪费资源的行为。最好的方法应该在用到的时候再去初始化。<br />    但是笔者认为如果初始化耗时长，那我们最好不要等到真正要用它的时候，才去执行这个耗时长的初始化过程，这会影响到系统的性能（比如，在响应客户端接口请求的时候，做这个初始化操作，会导致此请求的响应时间变长，甚至超时）。<br />    其次如果实例占用资源多，按照 fail-fast 的设计原则（有问题及早暴露），那我们也希望在程序启动时就将这个实例初始化好。如果资源不够，就会在程序启动的时候触发报错（比如 Java 中的 PermGen Space OOM），我们可以立即去修复。这样也能避免在程序运行一段时间后，突然因为初始化这个实例占用资源过多，导致系统崩溃，影响系统的可用性。
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### 2. 懒汉式
```java
public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static synchronized IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      instance = new IdGenerator();
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

 懒汉式的缺点也很明显，我们给 getInstance() 这个方法加了一把大锁（synchronzed），导致这个函数的并发度很低。量化一下的话，并发度是 1，也就相当于串行操作了。而这个函数是在单例使用期间，一直会被调用。如果这个单例类偶尔会被用到，那这种实现方式还可以接受。但是，如果频繁地用到，那频繁加锁、释放锁及并发度低等问题，会导致性能瓶颈，这种实现方式就不可取了。

3. 双重检测

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  //private volatile static IdGenerator instance = null;
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(IdGenerator.class) { // 此处为类级别的锁
        if (instance == null) {
          instance = new IdGenerator();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

一般来讲，当初始化一个对象的时候，会经历
a. 内存分配
b. 初始化
c. 返回对象引用
这种方式产生的对象是一个完整的对象，可以正常使用。但是JAVA的无序写入可能会造成顺序的颠倒，即
a. 内存分配、
b. 返回对象引用
c. 初始化的顺序，
这种情况下对应到（//创建实例）就是instance已经不是null，而是指向了堆上的一个对象，但是该对象却还没有完成初始化动作。当后续的线程发现singleton不是null而直接使用的时候，就会出现意料之外的问题。
解决方案： JDK1.5之后，可以使用volatile关键字修饰变量来解决无序写入产生的问题，因为volatile关键字的一个重要作用是禁止指令重排序，即保证不会出现内存分配、返回对象引用、初始化这样的顺序，从而使得双重检测真正发挥作用

4. 静态内部类

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private IdGenerator() {}

  private static class SingletonHolder{
    private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
  }

  public static IdGenerator getInstance() {
    return SingletonHolder.instance;
  }

  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

SingletonHolder 是一个静态内部类，当外部类 IdGenerator 被加载的时候，并不会创建 SingletonHolder 实例对象。只有当调用 getInstance() 方法时，SingletonHolder 才会被加载，这个时候才会创建 instance。instance 的唯一性、创建过程的线程安全性，都由 JVM 来保证。所以，这种实现方法既保证了线程安全，又能做到延迟加载。
似乎静态内部类看起来已经是最完美的方法了，其实不是，可能还存在反射攻击或者反序列化攻击。且看如下代码：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Singleton singleton = Singleton.getInstance();
    Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Singleton newSingleton = constructor.newInstance();
    System.out.println(singleton == newSingleton);
}

通过结果看，这两个实例不是同一个，这就违背了单例模式的原则了。
除了反射攻击之外，还可能存在反序列化攻击的情况。如下：
引入依赖：

<dependency>
    <groupId>org.apache.commons</groupId>
    <artifactId>commons-lang3</artifactId>
    <version>3.8.1</version>
</dependency>

这个依赖提供了序列化和反序列化工具类。Singleton类实现java.io.Serializable接口。
如下：

public class Singleton implements Serializable {

    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }

    private Singleton() {

    }

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

    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        byte[] serialize = SerializationUtils.serialize(instance);
        Singleton newInstance = SerializationUtils.deserialize(serialize);
        System.out.println(instance == newInstance);
    }

}

5. 枚举

最后，我们介绍一种最简单的实现方式，基于枚举类型的单例实现。这种实现方式通过 Java 枚举类型本身的特性，保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性。具体的代码如下所示：

public enum IdGenerator {
  INSTANCE;
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);

  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

扩展

上文单例对象是只进程内唯一。

线程内唯一

public class IdGenerator {
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);

  private static final ConcurrentHashMap<Long, IdGenerator> instances
          = new ConcurrentHashMap<>();

  private IdGenerator() {}

  public static IdGenerator getInstance() {
    Long currentThreadId = Thread.currentThread().getId();
    instances.putIfAbsent(currentThreadId, new IdGenerator());
    return instances.get(currentThreadId);
  }

  public long getId() {
    return id.incrementAndGet();
  }
}

Java 语言本身提供了 ThreadLocal 工具类，可以更加轻松地实现线程唯一单例

集群内唯一

public class IdGenerator {
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private static SharedObjectStorage storage = FileSharedObjectStorage(/*入参省略，比如文件地址*/);
  private static DistributedLock lock = new DistributedLock();

  private IdGenerator() {}

  public synchronized static IdGenerator getInstance() 
    if (instance == null) {
      lock.lock();
      instance = storage.load(IdGenerator.class);
    }
    return instance;
  }

  public synchroinzed void freeInstance() {
    storage.save(this, IdGeneator.class);
    instance = null; //释放对象
    lock.unlock();
  }

  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

// IdGenerator使用举例
IdGenerator idGeneator = IdGenerator.getInstance();
long id = idGenerator.getId();
IdGenerator.freeInstance();