這9個單例被破壞的事故現場,你遇到過幾個? 評論區見

語言: CN / TW / HK

1 通用單例寫法帶來的弊端

我們看到的單例模式通用寫法,一般就是餓漢式單例的標準寫法。餓漢式單例寫法在類載入的時候立即初始化,並且建立單例物件。它絕對執行緒安全,線上程還沒出現之前就例項化了,不可能存在訪問安全問題。餓漢式單例還有另外一種寫法,程式碼如下。


//餓漢式靜態程式碼塊單例模式
public class HungryStaticSingleton {
    private static final HungryStaticSingleton instance;
    
    static {
        instance = new HungryStaticSingleton();
    }

    private HungryStaticSingleton(){}

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

這種寫法使用靜態程式碼塊的機制,非常簡單也容易理解。餓漢式單例模式適用於單例物件較少的情況。這樣寫可以保證絕對執行緒安全,執行效率比較高。但是它的缺點也很明顯,就是所有物件類在載入的時候就例項化。這樣一來,如果系統中有大批量的單例物件存在,而且單例物件的數量也不確定,則系統初始化時會造成大量的記憶體浪費,從而導致系統記憶體不可控。也就是說,不管物件用或不用,都佔著空間,浪費了記憶體,有可能佔著記憶體又不使用。那有沒有更優的寫法呢?我們繼續分析。

2 還原執行緒破壞單例的事故現場

為了解決餓漢式單例寫法可能帶來的記憶體浪費問題,於是出現了懶漢式單例的寫法。懶漢式單例寫法的特點是單例物件在被使用時才會初始化。懶漢式單例寫法的簡單實現LazySimpleSingleton如下。


//懶漢式單例模式在外部需要使用的時候才進行例項化
public class LazySimpleSingletion {
    //靜態塊,公共記憶體區域
    private static LazySimpleSingletion instance;

    private LazySimpleSingletion(){}

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

但這樣寫又帶來了一個新的問題,如果在多執行緒環境下,則會出現執行緒安全問題。先來模擬一下,編寫執行緒類ExectorThread。

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

編寫客戶端測試程式碼如下。

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");
    }
}

我們反覆多次執行程式上的程式碼,發現會有一定概率出現兩種不同結果,有可能兩個執行緒獲取的物件是一致的,也有可能兩個執行緒獲取的物件是不一致的。下圖是兩個執行緒獲取的物件不一致的執行結果。

file

下圖是兩個執行緒獲取的物件一致的結果。

file

顯然,這意味著上面的單例存線上程安全隱患。那麼這個結果是怎麼產生的呢?我們來分析一下,如下圖所示,如果兩個執行緒在同一時間同時進入getInstance()方法,則會同時滿足if(null == instance)條件,建立兩個物件。如果兩個執行緒都繼續往下執行後面的程式碼,則有可能後執行的執行緒的結果覆蓋先執行的執行緒的結果。如果列印動作發生在覆蓋之前,則最終得到的結果就是一致的;如果列印動作發生在覆蓋之後,則得到兩個不一樣的結果。

file

當然,也有可能沒有發生併發,完全正常執行。下面通過除錯方式來更深刻地理解一下。這裡教大家一種新技能,用執行緒模式除錯,手動控制執行緒的執行順序來跟蹤記憶體的變化。先把ExectorThread類打上斷點,如下圖所示。

file

單擊右鍵點選斷點,切換為Thread模式,如下圖所示。

file

然後把LazySimpleSingleton類也打上斷點,同樣標記為Thread模式,如下圖所示。

file

切換回客戶端測試程式碼,同樣也打上斷點,同時改為Thread模式,如下圖所示。

file

在開始Debug之後,我們會看到Debug控制檯可以自由切換Thread的執行狀態,如下圖所示。

file

通過不斷切換執行緒,並觀測其記憶體狀態,我們發現線上程環境下LazySimpleSingleton被例項化了兩次。有時候得到的執行結果可能是兩個相同的物件,實際上是被後面執行的執行緒覆蓋了,我們看到了一個假象,執行緒安全隱患依舊存在。那麼,如何優化程式碼,使得懶漢式單例模式線上程環境下安全呢?來看下面的程式碼,給getInstance()方法加上synchronized關鍵字,使這個方法變成執行緒同步方法。


public class LazySimpleSingletion {
    //靜態塊,公共記憶體區域
    private static LazySimpleSingletion instance;

    private LazySimpleSingletion(){}

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

我們再來除錯。當執行其中一個執行緒並呼叫getInstance()方法時,另一個執行緒在呼叫getInstance()方法,執行緒的狀態由RUNNING變成了MONITOR,出現阻塞。直到第一個執行緒執行完,第二個執行緒才恢復到RUNNING狀態繼續呼叫getInstance()方法,如下圖所示。

file

這樣,通過使用synchronized就解決了執行緒安全問題。

3 雙重檢查鎖單例寫法閃亮登場

在上一節中,我們通過除錯的方式完美地展現了synchronized監視鎖的執行狀態。但是,如果線上程數量劇增的情況下,用synchronized加鎖,則會導致大批執行緒阻塞,從而導致程式效能大幅下降。就好比是地鐵進站限流,在寒風刺骨的冬天,所有人都在站前廣場轉圈圈,使用者體驗很不好,如下圖所示。

file

那有沒有辦法優化一下使用者體驗呢?其實可以讓所有人先進入進站大廳,然後增設一些進站閘口,這樣使用者體驗變好了,進站效率也提高了。當然,在現實生活中可能會受到很多硬性條件的限制,但是在虛擬世界中是完全可以實現的。其實這就叫作雙重檢查,在進站門安檢一次,進入大廳後在閘口檢票處再檢查一次,如下圖所示。

file

我們來改造一下程式碼,建立LazyDoubleCheckSingleton類。


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;
    }
}

這樣寫就解決問題了嗎?目測發現,其實這跟LazySimpleSingletion的寫法並無差異,還是會大規模阻塞。那我們把判斷條件往上提一級呢?


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;
    }
}

在執行程式碼後,還是會存線上程安全問題。執行結果如下圖所示。

file

這是什麼原因導致的呢?其實如果兩個執行緒在同一時間都滿足if(instance == null)條件,則兩個執行緒都會執行synchronized塊中的程式碼,因此,還是會建立兩次。再優化一下程式碼。


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

    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
        //檢查是否要阻塞
        if (instance == null) {
            synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
                //檢查是否要重新建立例項
                if (instance == null) {
                    instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
                    //指令重排序的問題
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

我們進行斷點除錯,如下圖所示。

file

當第一個執行緒呼叫getInstance()方法時,第二個執行緒也可以呼叫。當第一個執行緒執行到synchronized時會上鎖,第二個執行緒就會變成MONITOR狀態,出現阻塞。此時,阻塞並不是基於整個LazyDoubleCheckSingleton類的阻塞,而是在getInstance()方法內部的阻塞,只要邏輯不太複雜,對於呼叫者而言感覺不到。

4 看似完美的靜態內部類單例寫法

雙重檢查鎖單例寫法雖然解決了執行緒安全問題和效能問題,但是隻要用到synchronized關鍵字總是要上鎖,對程式效能還是存在一定影響的。難道就真的沒有更好的方案嗎?當然有。我們可以從類初始化的角度考慮,看下面的程式碼,採用靜態內部類的方式。


//這種形式兼顧餓漢式單例寫法的記憶體浪費問題和synchronized的效能問題
//完美地遮蔽了這兩個缺點
public class LazyStaticInnerClassSingleton {
    //使用LazyInnerClassGeneral的時候,預設會先初始化內部類
    //如果沒使用,則內部類是不載入的
    private LazyStaticInnerClassSingleton(){

    }
    //每一個關鍵字都不是多餘的,static是為了使單例的空間共享,保證這個方法不會被重寫、過載
    private static LazyStaticInnerClassSingleton getInstance(){
        //在返回結果之前,一定會先載入內部類
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }

    //利用了Java本身的語法特點,預設不載入內部類
    private static class LazyHolder{
        private static final LazyStaticInnerClassSingleton INSTANCE = new LazyStaticInnerClassSingleton();
    }

}

這種方式兼顧了餓漢式單例寫法的記憶體浪費問題和synchronized的效能問題。內部類一定要在方法呼叫之前被初始化,巧妙地避免了執行緒安全問題。由於這種方式比較簡單,就不再一步步除錯。但是,“金無足赤,人無完人”,單例模式亦如此。這種寫法就真的完美了嗎?

5 還原反射破壞單例的事故現場

我們來看一個事故現場。大家有沒有發現,上面介紹的單例模式的構造方法除了加上private關鍵字,沒有做任何處理。如果使用反射來呼叫其構造方法,再呼叫getInstance()方法,應該有兩個不同的例項。現在來看客戶端測試程式碼,以LazyStaticInnerClassSingleton為例。


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

            //通過反射獲取私有的構造方法
            Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
            //強制訪問
            c.setAccessible(true);

            //暴力初始化
            Object o1 = c.newInstance();
            
            //呼叫了兩次構造方法,相當於“new”了兩次,犯了原則性錯誤
            Object o2 = c.newInstance();

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

執行結果如下圖所示。

file

顯然,記憶體中建立了兩個不同的例項。那怎麼辦呢?我們來做一次優化。我們在其構造方法中做一些限制,一旦出現多次重複建立,則直接丟擲異常。優化後的程式碼如下。


public class LazyStaticInnerClassSingleton {
    //使用LazyInnerClassGeneral的時候,預設會先初始化內部類
    //如果沒使用,則內部類是不載入的
    private LazyStaticInnerClassSingleton(){
        if(LazyHolder.INSTANCE != null){
            throw new RuntimeException("不允許建立多個例項");
        }
    }
    //每一個關鍵字都不是多餘的,static是為了使單例的空間共享,保證這個方法不會被重寫、過載
    private static LazyStaticInnerClassSingleton getInstance(){
        //在返回結果之前,一定會先載入內部類
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }

    //利用了Java本身的語法特點,預設不載入內部類
    private static class LazyHolder{
        private static final LazyStaticInnerClassSingleton INSTANCE = new LazyStaticInnerClassSingleton();
    }

}

再執行客戶端測試程式碼,結果如下圖所示。

file

至此,自認為最優雅的單例模式寫法便大功告成了。但是,上面看似完美的單例寫法還是值得斟酌的。在構造方法中丟擲異常,顯然不夠優雅。那麼有沒有比靜態內部類更優雅的單例寫法呢?

6 更加優雅的列舉式單例寫法問世

列舉式單例寫法可以解決上面的問題。首先來看列舉式單例的標準寫法,建立EnumSingleton類。


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;
    }
}

然後看客戶端測試程式碼。


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();
        }
    }
}

最後得到執行結果,如下圖所示。

file

我們沒有對程式碼邏輯做任何處理,但執行結果和預期一樣。那麼列舉式單例寫法如此神奇,它的神祕之處體現在哪裡呢?下面通過分析原始碼來揭開它的神祕面紗。 首先下載一個非常好用的Java反編譯工具Jad,在解壓後配置好環境變數(這裡不做詳細介紹),就可以使用命令列呼叫了。找到工程所在的Class目錄,複製EnumSingleton.class所在的路徑,如下圖所示。

file

然後切換到命令列,切換到工程所在的Class目錄,輸入命令jad並輸入複製好的路徑,在Class目錄下會多出一個EnumSingleton.jad檔案。開啟EnumSingleton.jad檔案,我們驚奇地發現有如下程式碼。


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

原來,列舉式單例寫法在靜態程式碼塊中就對INSTANCE進行了賦值,是餓漢式單例寫法的實現。至此,我們還可以試想,序列化能否破壞列舉式單例寫法呢?不妨再來看一下JDK原始碼,還是回到ObjectInputStream的readObject0()方法。


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

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

            ...
}

我們看到,在readObject0()中呼叫了readEnum()方法,readEnum()方法的程式碼實現如下。


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,列舉型別其實通過類名和類物件找到一個唯一的列舉物件。因此,列舉物件不可能被類載入器載入多次。那麼反射是否能破壞列舉式單例寫法的單例物件呢?來看客戶端測試程式碼。


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

執行結果如下圖所示。

file

結果中報出的是java.lang.NoSuchMethodException異常,意思是沒找到無參的構造方法。此時,開啟java.lang.Enum的原始碼,檢視它的構造方法,只有一個protected型別的構造方法,程式碼如下。


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

再來做一個這樣的測試。


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();
    }
}

執行結果如下圖所示。

file

這時,錯誤已經非常明顯了,“Cannot reflectively create enum objects”,即不能用反射來建立列舉型別。我們還是習慣性地想來看下JDK原始碼,進入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;
}

從上述程式碼可以看到,在newInstance()方法中做了強制性的判斷,如果修飾符是Modifier.ENUM列舉型別,則直接丟擲異常。這豈不是和靜態內部類單例寫法的處理方式有異曲同工之妙?對,但是我們在構造方法中寫邏輯處理可能存在未知的風險,而JDK的處理是最官方、最權威、最穩定的。因此,列舉式單例寫法也是Effective Java一書中推薦的一種單例模式寫法。 到此為止,我們是不是已經非常清晰明瞭呢?JDK列舉的語法特殊性及反射也為列舉保駕護航,讓列舉式單例寫法成為一種更加優雅的實現。

7 還原反序列化破壞單例的事故現場

一個單例物件建立好後,有時候需要將物件序列化然後寫入磁碟,當下次使用時再從磁碟中讀取物件並進行反序列化,將其轉化為記憶體物件。反序列化後的物件會重新分配記憶體,即重新建立。如果序列化的目標物件為單例物件,則違背了單例模式的初衷,相當於破壞了單例,來看一段程式碼。


//反序列化破壞了單例模式
public class SeriableSingleton implements Serializable {
    //序列化就是把記憶體中的狀態通過轉換成位元組碼的形式
    //從而轉換為一個I/O流,寫入其他地方(可以是磁碟、網路I/O)
    //記憶體中的狀態會被永久儲存下來

    //反序列化就是將已經持久化的位元組碼內容轉換為I/O流
    //通過I/O流的讀取,進而將讀取的內容轉換為Java物件
    //在轉換過程中會重新建立物件
    public  final static SeriableSingleton INSTANCE = new SeriableSingleton();
    private SeriableSingleton(){}

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

編寫客戶端測試程式碼。


    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();
        }
    }
		

執行結果如下圖所示。

file

從執行結果可以看出,反序列化後的物件和手動建立的物件是不一致的,被例項化了兩次,違背了單例模式的設計初衷。那麼,如何保證在序列化的情況下也能夠實現單例模式呢?其實很簡單,只需要增加readResolve()方法即可。優化後的程式碼如下。


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;
    }
}

再看執行結果,如下圖所示。

file

大家一定會想:這是什麼原因呢?為什麼要這樣寫?看上去很神奇的樣子,也讓人有些費解。不如一起來看JDK的原始碼實現以瞭解清楚。進入ObjectInputStream類的readObject()方法,程式碼如下。


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()方法中又呼叫了重寫的readObject0()方法。進入readObject0()方法,原始碼如下。


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

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

            ...
}

我們看到TC_OBJECT中呼叫了ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法,原始碼如下。


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;
}

我們發現呼叫了ObjectStreamClass的isInstantiable()方法,而isInstantiable()方法的原始碼如下。


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

上述程式碼非常簡單,就是判斷一下構造方法是否為空。如果構造方法不為空,則返回true。這意味著只要有無參構造方法就會例項化。 這時候其實還沒有找到加上readResolve()方法就可以避免單例模式被破壞的真正原因。再回到ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法,繼續往下看原始碼。


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;
}

在判斷無參構造方法是否存在之後,又呼叫了hasReadResolveMethod()方法,原始碼如下。


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

上述程式碼的邏輯非常簡單,就是判斷readResolveMethod是否為空,如果不為空,則返回true。那麼readResolveMethod是在哪裡被賦值的呢?通過全域性查詢知道,在私有方法ObjectStreamClass()中對readResolveMethod進行了賦值,原始碼如下。


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

上面的邏輯其實就是通過反射找到一個無參的readResolve()方法,並且儲存下來。再回到ObjectInputStream的readOrdinaryObject()方法,繼續往下看,如果readResolve()方法存在,則呼叫invokeReadResolve()方法,程式碼如下。


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()方法中用反射呼叫了readResolveMethod方法。 通過JDK原始碼分析可以看出,雖然增加readResolve()方法返回例項解決了單例模式被破壞的問題,但是實際上單例物件被例項化了兩次,只不過新建立的物件沒有被返回而已。如果建立物件的動作發生頻率加快,則意味著記憶體分配開銷也會隨之增大,難道真的就沒辦法從根本上解決問題嗎?其實,列舉式單例寫法也是能夠避免這個問題發生的,因為它在類載入的時候就已經建立好了所有的物件。

8 還原克隆破壞單例的事故現場

假設有這樣一個場景,如果克隆的目標物件恰好是單例物件,那會不會使單例物件被破壞呢?當然,我們在已知的情況下肯定不會這麼幹,但如果發生了意外怎麼辦?不妨來修改一下程式碼。


@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;
        }
    }
    
}

我們把構造方法私有化,並且提供getInstance()方法。編寫客戶端測試程式碼如下。


    public static void main(String[] args) {
        //建立原型物件
        ConcretePrototype prototype = ConcretePrototype.getInstance();

        //複製原型物件
        ConcretePrototype cloneType = prototype.clone();

        System.out.println("原型物件和克隆物件比較:" + (prototype == cloneType));

}

執行結果如下圖所示。

file

從執行結果來看,確實建立了兩個不同的物件。實際上防止克隆破壞單例物件的解決思路非常簡單,禁止克隆便可。要麼我們的單例類不實現Cloneable介面,要麼我們重寫clone()方法,在clone()方法中返回單例物件即可,具體程式碼如下。


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

9 容器式單例寫法解決大規模生產單例的問題

雖然列舉式單例寫法更加優雅,但是也會存在一些問題。因為它在類載入時將所有的物件初始化都放在類記憶體中,這其實和餓漢式單例寫法並無差異,不適合大量建立單例物件的場景。接下來看註冊式單例模式的另一種寫法,即容器式單例寫法,建立ContainerSingleton類。


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);
            }
        }
    }
}

容器式單例寫法適用於需要大量建立單例物件的場景,便於管理,但它是非執行緒安全的。到此,註冊式單例寫法介紹完畢。再來看Spring中的容器式單例寫法的原始碼。


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);
...
}

從上面程式碼來看,儲存單例物件的容器其實就是一個Map。

9 附彩蛋:ThreadLocal執行緒單例

最後贈送大家一個彩蛋,執行緒單例實現ThreadLocal。ThreadLocal不能保證其建立的物件是全域性唯一的,但能保證在單個執行緒中是唯一的,是執行緒安全的。下面來看程式碼。


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();
    }
}

客戶端測試程式碼如下。


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");
}

執行結果如下圖所示。

file

由上可知,在主執行緒中無論呼叫多少次,獲取的例項都是同一個,都在兩個子執行緒中分別獲取了不同的例項。那麼,ThreadLocal是如何實現這樣的效果的呢?我們知道,單例模式為了達到執行緒安全的目的,會給方法上鎖,以時間換空間。ThreadLocal將所有物件全部放在ThreadLocalMap中,為每個執行緒都提供一個物件,實際上是以空間換時間來實現執行緒隔離的。

file

本文為“Tom彈架構”原創,轉載請註明出處。技術在於分享,我分享我快樂!
如果本文對您有幫助,歡迎關注和點贊;如果您有任何建議也可留言評論或私信,您的支援是我堅持創作的動力。關注微信公眾號『 Tom彈架構 』可獲取更多技術乾貨!