这9个单例被破坏的事故现场,你遇到过几个?

原创
2021/10/26 14:52
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1 通用单例写法带来的弊端

我们看到的单例模式通用写法,一般就是饿汉式单例的标准写法。饿汉式单例写法在类加载的时候立即初始化,并且创建单例对象。它绝对线程安全,在线程还没出现之前就实例化了,不可能存在访问安全问题。饿汉式单例还有另外一种写法,代码如下。


//饿汉式静态代码块单例模式
public class HungryStaticSingleton {
    private static final HungryStaticSingleton instance;
    
    static {
        instance = new HungryStaticSingleton();
    }

    private HungryStaticSingleton(){}

    public static HungryStaticSingleton getInstance(){
        return  instance;
    }
}

这种写法使用静态代码块的机制,非常简单也容易理解。饿汉式单例模式适用于单例对象较少的情况。这样写可以保证绝对线程安全,执行效率比较高。但是它的缺点也很明显,就是所有对象类在加载的时候就实例化。这样一来,如果系统中有大批量的单例对象存在,而且单例对象的数量也不确定,则系统初始化时会造成大量的内存浪费,从而导致系统内存不可控。也就是说,不管对象用或不用,都占着空间,浪费了内存,有可能占着内存又不使用。那有没有更优的写法呢?我们继续分析。

2 还原线程破坏单例的事故现场

为了解决饿汉式单例写法可能带来的内存浪费问题,于是出现了懒汉式单例的写法。懒汉式单例写法的特点是单例对象在被使用时才会初始化。懒汉式单例写法的简单实现LazySimpleSingleton如下。


//懒汉式单例模式在外部需要使用的时候才进行实例化
public class LazySimpleSingletion {
    //静态块,公共内存区域
    private static LazySimpleSingletion instance;

    private LazySimpleSingletion(){}

    public  static LazySimpleSingletion getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new LazySimpleSingletion();
        }
        return instance;
    }
}

但这样写又带来了一个新的问题,如果在多线程环境下,则会出现线程安全问题。先来模拟一下,编写线程类ExectorThread。

public class ExectorThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        LazySimpleSingleton singleton = LazySimpleSingleton.getInstance();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + singleton);
    }
}

编写客户端测试代码如下。

public class LazySimpleSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new ExectorThread());
        Thread t2 = new Thread(new ExectorThread());
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println("End");
    }
}

我们反复多次运行程序上的代码,发现会有一定概率出现两种不同结果,有可能两个线程获取的对象是一致的,也有可能两个线程获取的对象是不一致的。下图是两个线程获取的对象不一致的运行结果。

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下图是两个线程获取的对象一致的结果。

file

显然,这意味着上面的单例存在线程安全隐患。那么这个结果是怎么产生的呢?我们来分析一下,如下图所示,如果两个线程在同一时间同时进入getInstance()方法,则会同时满足if(null == instance)条件,创建两个对象。如果两个线程都继续往下执行后面的代码,则有可能后执行的线程的结果覆盖先执行的线程的结果。如果打印动作发生在覆盖之前,则最终得到的结果就是一致的;如果打印动作发生在覆盖之后,则得到两个不一样的结果。

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当然,也有可能没有发生并发,完全正常运行。下面通过调试方式来更深刻地理解一下。这里教大家一种新技能,用线程模式调试,手动控制线程的执行顺序来跟踪内存的变化。先把ExectorThread类打上断点,如下图所示。

file

单击右键点击断点,切换为Thread模式,如下图所示。

file

然后把LazySimpleSingleton类也打上断点,同样标记为Thread模式,如下图所示。

file

切换回客户端测试代码,同样也打上断点,同时改为Thread模式,如下图所示。

file

在开始Debug之后,我们会看到Debug控制台可以自由切换Thread的运行状态,如下图所示。

file

通过不断切换线程,并观测其内存状态,我们发现在线程环境下LazySimpleSingleton被实例化了两次。有时候得到的运行结果可能是两个相同的对象,实际上是被后面执行的线程覆盖了,我们看到了一个假象,线程安全隐患依旧存在。那么,如何优化代码,使得懒汉式单例模式在线程环境下安全呢?来看下面的代码,给getInstance()方法加上synchronized关键字,使这个方法变成线程同步方法。


public class LazySimpleSingletion {
    //静态块,公共内存区域
    private static LazySimpleSingletion instance;

    private LazySimpleSingletion(){}

    public synchronized static LazySimpleSingletion getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new LazySimpleSingletion();
        }
        return instance;
    }
}

我们再来调试。当执行其中一个线程并调用getInstance()方法时,另一个线程在调用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,第二个线程才恢复到RUNNING状态继续调用getInstance()方法,如下图所示。

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这样,通过使用synchronized就解决了线程安全问题。

3 双重检查锁单例写法闪亮登场

在上一节中,我们通过调试的方式完美地展现了synchronized监视锁的运行状态。但是,如果在线程数量剧增的情况下,用synchronized加锁,则会导致大批线程阻塞,从而导致程序性能大幅下降。就好比是地铁进站限流,在寒风刺骨的冬天,所有人都在站前广场转圈圈,用户体验很不好,如下图所示。

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那有没有办法优化一下用户体验呢?其实可以让所有人先进入进站大厅,然后增设一些进站闸口,这样用户体验变好了,进站效率也提高了。当然,在现实生活中可能会受到很多硬性条件的限制,但是在虚拟世界中是完全可以实现的。其实这就叫作双重检查,在进站门安检一次,进入大厅后在闸口检票处再检查一次,如下图所示。

file

我们来改造一下代码,创建LazyDoubleCheckSingleton类。


public class LazyDoubleCheckSingleton {
    private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance;
    private LazyDoubleCheckSingleton(){}

    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
        synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

这样写就解决问题了吗?目测发现,其实这跟LazySimpleSingletion的写法并无差异,还是会大规模阻塞。那我们把判断条件往上提一级呢?


public class LazyDoubleCheckSingleton {
    private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance;
    private LazyDoubleCheckSingleton(){}

    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
        if (instance == null) {
              synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
                   instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
              }
        }
        return instance;
    }
}

在运行代码后,还是会存在线程安全问题。运行结果如下图所示。

file

这是什么原因导致的呢?其实如果两个线程在同一时间都满足if(instance == null)条件,则两个线程都会执行synchronized块中的代码,因此,还是会创建两次。再优化一下代码。


public class LazyDoubleCheckSingleton {
    private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance;
    private LazyDoubleCheckSingleton(){}

    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
        //检查是否要阻塞
        if (instance == null) {
            synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
                //检查是否要重新创建实例
                if (instance == null) {
                    instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
                    //指令重排序的问题
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

我们进行断点调试,如下图所示。

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当第一个线程调用getInstance()方法时,第二个线程也可以调用。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LazyDoubleCheckSingleton类的阻塞,而是在getInstance()方法内部的阻塞,只要逻辑不太复杂,对于调用者而言感觉不到。

4 看似完美的静态内部类单例写法

双重检查锁单例写法虽然解决了线程安全问题和性能问题,但是只要用到synchronized关键字总是要上锁,对程序性能还是存在一定影响的。难道就真的没有更好的方案吗?当然有。我们可以从类初始化的角度考虑,看下面的代码,采用静态内部类的方式。


//这种形式兼顾饿汉式单例写法的内存浪费问题和synchronized的性能问题
//完美地屏蔽了这两个缺点
public class LazyStaticInnerClassSingleton {
    //使用LazyInnerClassGeneral的时候,默认会先初始化内部类
    //如果没使用,则内部类是不加载的
    private LazyStaticInnerClassSingleton(){

    }
    //每一个关键字都不是多余的,static是为了使单例的空间共享,保证这个方法不会被重写、重载
    private static LazyStaticInnerClassSingleton getInstance(){
        //在返回结果之前,一定会先加载内部类
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }

    //利用了Java本身的语法特点,默认不加载内部类
    private static class LazyHolder{
        private static final LazyStaticInnerClassSingleton INSTANCE = new LazyStaticInnerClassSingleton();
    }

}

这种方式兼顾了饿汉式单例写法的内存浪费问题和synchronized的性能问题。内部类一定要在方法调用之前被初始化,巧妙地避免了线程安全问题。由于这种方式比较简单,就不再一步步调试。但是,“金无足赤,人无完人”,单例模式亦如此。这种写法就真的完美了吗?

5 还原反射破坏单例的事故现场

我们来看一个事故现场。大家有没有发现,上面介绍的单例模式的构造方法除了加上private关键字,没有做任何处理。如果使用反射来调用其构造方法,再调用getInstance()方法,应该有两个不同的实例。现在来看客户端测试代码,以LazyStaticInnerClassSingleton为例。


    public static void main(String[] args) {
        try{
            //如果有人恶意用反射破坏
            Class<?> clazz = LazyStaticInnerClassSingleton.class;

            //通过反射获取私有的构造方法
            Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
            //强制访问
            c.setAccessible(true);

            //暴力初始化
            Object o1 = c.newInstance();
            
            //调用了两次构造方法,相当于“new”了两次,犯了原则性错误
            Object o2 = c.newInstance();

            System.out.println(o1 == o2);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
		

运行结果如下图所示。

file

显然,内存中创建了两个不同的实例。那怎么办呢?我们来做一次优化。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。优化后的代码如下。


public class LazyStaticInnerClassSingleton {
    //使用LazyInnerClassGeneral的时候,默认会先初始化内部类
    //如果没使用,则内部类是不加载的
    private LazyStaticInnerClassSingleton(){
        if(LazyHolder.INSTANCE != null){
            throw new RuntimeException("不允许创建多个实例");
        }
    }
    //每一个关键字都不是多余的,static是为了使单例的空间共享,保证这个方法不会被重写、重载
    private static LazyStaticInnerClassSingleton getInstance(){
        //在返回结果之前,一定会先加载内部类
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }

    //利用了Java本身的语法特点,默认不加载内部类
    private static class LazyHolder{
        private static final LazyStaticInnerClassSingleton INSTANCE = new LazyStaticInnerClassSingleton();
    }

}

再运行客户端测试代码,结果如下图所示。

file

至此,自认为最优雅的单例模式写法便大功告成了。但是,上面看似完美的单例写法还是值得斟酌的。在构造方法中抛出异常,显然不够优雅。那么有没有比静态内部类更优雅的单例写法呢?

6 更加优雅的枚举式单例写法问世

枚举式单例写法可以解决上面的问题。首先来看枚举式单例的标准写法,创建EnumSingleton类。


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;
    }
}

然后看客户端测试代码。


public class EnumSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            EnumSingleton instance1 = null;

            EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
            instance2.setData(new Object());

            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(instance2);
            oos.flush();
            oos.close();

            FileInputStream fis = new FileInputStream("EnumSingleton.obj");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            instance1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
            ois.close();

            System.out.println(instance1.getData());
            System.out.println(instance2.getData());
            System.out.println(instance1.getData() == instance2.getData());

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

最后得到运行结果,如下图所示。

file

我们没有对代码逻辑做任何处理,但运行结果和预期一样。那么枚举式单例写法如此神奇,它的神秘之处体现在哪里呢?下面通过分析源码来揭开它的神秘面纱。 首先下载一个非常好用的Java反编译工具Jad,在解压后配置好环境变量(这里不做详细介绍),就可以使用命令行调用了。找到工程所在的Class目录,复制EnumSingleton.class所在的路径,如下图所示。

file

然后切换到命令行,切换到工程所在的Class目录,输入命令jad并输入复制好的路径,在Class目录下会多出一个EnumSingleton.jad文件。打开EnumSingleton.jad文件,我们惊奇地发现有如下代码。


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

原来,枚举式单例写法在静态代码块中就对INSTANCE进行了赋值,是饿汉式单例写法的实现。至此,我们还可以试想,序列化能否破坏枚举式单例写法呢?不妨再来看一下JDK源码,还是回到ObjectInputStream的readObject0()方法。


private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
            ...

            case TC_ENUM:
                return checkResolve(readEnum(unshared));

            ...
}

我们看到,在readObject0()中调用了readEnum()方法,readEnum()方法的代码实现如下。


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);
        }
    }

    handles.finish(enumHandle);
    passHandle = enumHandle;
    return result;
}

由上可知,枚举类型其实通过类名和类对象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。那么反射是否能破坏枚举式单例写法的单例对象呢?来看客户端测试代码。


public static void main(String[] args) {
    try {
        Class clazz = EnumSingleton.class;
        Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor();
        c.newInstance();
    }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }
}

运行结果如下图所示。

file

结果中报出的是java.lang.NoSuchMethodException异常,意思是没找到无参的构造方法。此时,打开java.lang.Enum的源码,查看它的构造方法,只有一个protected类型的构造方法,代码如下。


protected Enum(String name, int ordinal) {
    this.name = name;
    this.ordinal = ordinal;
}

再来做一个这样的测试。


public static void main(String[] args) {
    try {
        Class clazz = EnumSingleton.class;
        Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
        c.setAccessible(true);
        EnumSingleton enumSingleton = (EnumSingleton)c.newInstance("Tom",666);

    }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }
}

运行结果如下图所示。

file

这时,错误已经非常明显了,“Cannot reflectively create enum objects”,即不能用反射来创建枚举类型。我们还是习惯性地想来看下JDK源码,进入Constructor的newInstance()方法。


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

从上述代码可以看到,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,则直接抛出异常。这岂不是和静态内部类单例写法的处理方式有异曲同工之妙?对,但是我们在构造方法中写逻辑处理可能存在未知的风险,而JDK的处理是最官方、最权威、最稳定的。因此,枚举式单例写法也是Effective Java一书中推荐的一种单例模式写法。 到此为止,我们是不是已经非常清晰明了呢?JDK枚举的语法特殊性及反射也为枚举保驾护航,让枚举式单例写法成为一种更加优雅的实现。

7 还原反序列化破坏单例的事故现场

一个单例对象创建好后,有时候需要将对象序列化然后写入磁盘,当下次使用时再从磁盘中读取对象并进行反序列化,将其转化为内存对象。反序列化后的对象会重新分配内存,即重新创建。如果序列化的目标对象为单例对象,则违背了单例模式的初衷,相当于破坏了单例,来看一段代码。


//反序列化破坏了单例模式
public class SeriableSingleton implements Serializable {
    //序列化就是把内存中的状态通过转换成字节码的形式
    //从而转换为一个I/O流,写入其他地方(可以是磁盘、网络I/O)
    //内存中的状态会被永久保存下来

    //反序列化就是将已经持久化的字节码内容转换为I/O流
    //通过I/O流的读取,进而将读取的内容转换为Java对象
    //在转换过程中会重新创建对象
    public  final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
    private SeriableSingleton(){}

    public static SeriableSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

编写客户端测试代码。


    public static void main(String[] args) {
        SeriableSingleton s1 = null;
        SeriableSingleton s2 = SeriableSingleton.getInstance();

        FileOutputStream fos = null;
        try {
            fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(s2);
            oos.flush();
            oos.close();

            FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            s1 = (SeriableSingleton)ois.readObject();
            ois.close();

            System.out.println(s1);
            System.out.println(s2);
            System.out.println(s1 == s2);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
		

运行结果如下图所示。

file

从运行结果可以看出,反序列化后的对象和手动创建的对象是不一致的,被实例化了两次,违背了单例模式的设计初衷。那么,如何保证在序列化的情况下也能够实现单例模式呢?其实很简单,只需要增加readResolve()方法即可。优化后的代码如下。


public class SeriableSingleton implements Serializable {

    public  final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
    private SeriableSingleton(){}

    public static SeriableSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
    private  Object readResolve(){
        return  INSTANCE;
    }
}

再看运行结果,如下图所示。

file

大家一定会想:这是什么原因呢?为什么要这样写?看上去很神奇的样子,也让人有些费解。不如一起来看JDK的源码实现以了解清楚。进入ObjectInputStream类的readObject()方法,代码如下。


public final Object readObject()
    throws IOException, ClassNotFoundException
{
    if (enableOverride) {
        return readObjectOverride();
    }

    int outerHandle = passHandle;
    try {
        Object obj = readObject0(false);
        handles.markDependency(outerHandle, passHandle);
        ClassNotFoundException ex = handles.lookupException(passHandle);
        if (ex != null) {
            throw ex;
        }
        if (depth == 0) {
            vlist.doCallbacks();
        }
        return obj;
    } finally {
        passHandle = outerHandle;
        if (closed && depth == 0) {
            clear();
        }
    }
}

可以看到,在readObject()方法中又调用了重写的readObject0()方法。进入readObject0()方法,源码如下。


private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
            ...

            case TC_OBJECT:
                return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));

            ...
}

我们看到TC_OBJECT中调用了ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法,源码如下。


private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
    throws IOException
{
    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 {
        obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
    } catch (Exception ex) {
        throw (IOException) new InvalidClassException(
            desc.forClass().getName(),
            "unable to create instance").initCause(ex);
    }

    ...

    return obj;
}

我们发现调用了ObjectStreamClass的isInstantiable()方法,而isInstantiable()方法的源码如下。


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

上述代码非常简单,就是判断一下构造方法是否为空。如果构造方法不为空,则返回true。这意味着只要有无参构造方法就会实例化。 这时候其实还没有找到加上readResolve()方法就可以避免单例模式被破坏的真正原因。再回到ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法,继续往下看源码。


private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
    throws IOException
{
    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 {
        obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
    } catch (Exception ex) {
        throw (IOException) new InvalidClassException(
            desc.forClass().getName(),
            "unable to create instance").initCause(ex);
    }

    ...

    if (obj != null &&
        handles.lookupException(passHandle) == null &&
        desc.hasReadResolveMethod())
    {
        Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
        if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
            rep = cloneArray(rep);
        }
        if (rep != obj) {
            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;
}

在判断无参构造方法是否存在之后,又调用了hasReadResolveMethod()方法,源码如下。


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

上述代码的逻辑非常简单,就是判断readResolveMethod是否为空,如果不为空,则返回true。那么readResolveMethod是在哪里被赋值的呢?通过全局查找知道,在私有方法ObjectStreamClass()中对readResolveMethod进行了赋值,源码如下。


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

上面的逻辑其实就是通过反射找到一个无参的readResolve()方法,并且保存下来。再回到ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法,继续往下看,如果readResolve()方法存在,则调用invokeReadResolve()方法,代码如下。


Object invokeReadResolve(Object obj)
    throws IOException, UnsupportedOperationException
{
    requireInitialized();
    if (readResolveMethod != null) {
        try {
            return readResolveMethod.invoke(obj, (Object[]) null);
        } catch (InvocationTargetException ex) {
            Throwable th = ex.getTargetException();
            if (th instanceof ObjectStreamException) {
                throw (ObjectStreamException) th;
            } else {
                throwMiscException(th);
                throw new InternalError(th); 
            }
        } catch (IllegalAccessException ex) {
            throw new InternalError(ex);
        }
    } else {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

可以看到,在invokeReadResolve()方法中用反射调用了readResolveMethod方法。 通过JDK源码分析可以看出,虽然增加readResolve()方法返回实例解决了单例模式被破坏的问题,但是实际上单例对象被实例化了两次,只不过新创建的对象没有被返回而已。如果创建对象的动作发生频率加快,则意味着内存分配开销也会随之增大,难道真的就没办法从根本上解决问题吗?其实,枚举式单例写法也是能够避免这个问题发生的,因为它在类加载的时候就已经创建好了所有的对象。

8 还原克隆破坏单例的事故现场

假设有这样一个场景,如果克隆的目标对象恰好是单例对象,那会不会使单例对象被破坏呢?当然,我们在已知的情况下肯定不会这么干,但如果发生了意外怎么办?不妨来修改一下代码。


@Data
public class ConcretePrototype implements Cloneable {

    private static  ConcretePrototype instance = new ConcretePrototype();

    private ConcretePrototype(){}

    public static ConcretePrototype getInstance(){
        return instance;
    }

    @Override
    public ConcretePrototype clone() {
        try {
            return (ConcretePrototype)super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
    
}

我们把构造方法私有化,并且提供getInstance()方法。编写客户端测试代码如下。


    public static void main(String[] args) {
        //创建原型对象
        ConcretePrototype prototype = ConcretePrototype.getInstance();

        //复制原型对象
        ConcretePrototype cloneType = prototype.clone();

        System.out.println("原型对象和克隆对象比较:" + (prototype == cloneType));

}

运行结果如下图所示。

file

从运行结果来看,确实创建了两个不同的对象。实际上防止克隆破坏单例对象的解决思路非常简单,禁止克隆便可。要么我们的单例类不实现Cloneable接口,要么我们重写clone()方法,在clone()方法中返回单例对象即可,具体代码如下。


    @Override
    public ConcretePrototype clone() {
        return instance;
}

9 容器式单例写法解决大规模生产单例的问题

虽然枚举式单例写法更加优雅,但是也会存在一些问题。因为它在类加载时将所有的对象初始化都放在类内存中,这其实和饿汉式单例写法并无差异,不适合大量创建单例对象的场景。接下来看注册式单例模式的另一种写法,即容器式单例写法,创建ContainerSingleton类。


public class ContainerSingleton {
    private ContainerSingleton(){}
    private static Map<String,Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String,Object>();
    public static Object getBean(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);
            }
        }
    }
}

容器式单例写法适用于需要大量创建单例对象的场景,便于管理,但它是非线程安全的。到此,注册式单例写法介绍完毕。再来看Spring中的容器式单例写法的源码。


public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends AbstractBeanFactory
      implements AutowireCapableBeanFactory {
   /** Cache of unfinished FactoryBean instances: FactoryBean name --> BeanWrapper */
   private final Map<String, BeanWrapper> factoryBeanInstanceCache = new ConcurrentHashMap<>(16);
...
}

从上面代码来看,存储单例对象的容器其实就是一个Map。

9 附彩蛋:ThreadLocal线程单例

最后赠送大家一个彩蛋,线程单例实现ThreadLocal。ThreadLocal不能保证其创建的对象是全局唯一的,但能保证在单个线程中是唯一的,是线程安全的。下面来看代码。


public class ThreadLocalSingleton {
    private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocalInstance =
            new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>(){
                @Override
                protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
                    return new ThreadLocalSingleton();
                }
            };
    private ThreadLocalSingleton(){}

    public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
        return threadLocalInstance.get();
    }
}

客户端测试代码如下。


public static void main(String[] args) {

    System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
    System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
    System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
    System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
    System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());

    Thread t1 = new Thread(new ExectorThread());
    Thread t2 = new Thread(new ExectorThread());
    t1.start();
    t2.start();
    System.out.println("End");
}

运行结果如下图所示。

file

由上可知,在主线程中无论调用多少次,获取的实例都是同一个,都在两个子线程中分别获取了不同的实例。那么,ThreadLocal是如何实现这样的效果的呢?我们知道,单例模式为了达到线程安全的目的,会给方法上锁,以时间换空间。ThreadLocal将所有对象全部放在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隔离的。

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