没必要把单例模式复杂化

老猫的设计模式专栏已经偷偷发车了。不甘愿做crud boy？看了好几遍的设计模式还记不住？那就不要刻意记了，跟上老猫的步伐，在一个个有趣的职场故事中领悟设计模式的精髓。还等什么？赶紧上车吧

将系统软件比喻成江湖，设计原则就是OO程序员的武功心法，设计模式则是招式。光有心法还不够，需要结合招式才行。只有心法和招式相辅相成，才能应对强敌（比如“坑爹系统”），灵活应变，战无不胜。

故事

之前让小猫梳理的业务流程以及代码流程基本已经梳理完毕【系统梳理大法&代码梳理大法】。从代码侧而言也搞清楚了系统臃肿的原因【违背设计原则】。小猫逐渐步入正轨，他决定从一些简单的业务场景入手，开始着手优化系统代码。那么什么样的业务代码，动了之后影响最小呢？小猫看了看，打算就从泛滥创建的线程池着手吧，他打算用单例模式做一次重构。

在小猫接手的系统中，线程池的创建通常是根据需要在具体的类中直接实现多线程功能。因此，在许多service服务类中都会发现创建线程池的踪迹。

写在前面

为了解决上述小猫的问题，我们计划使用单例模式来创建一个共享线程池执行器，并结合工厂模式根据业务类型进行分类管理。

接下来，我们就单例模式开始吧。

概要

单例模式定义

单例模式(Singleton)是一种设计模式，旨在确保系统中只有一个特定类的实例，并提供一个全局访问点以便外部访问。这种模式的出现是为了控制系统中某个类的实例数量，节省系统资源并方便访问。通过单例模式，可以有效管理系统中的对象实例，避免多次创建相同类型的对象，提高系统性能和资源利用率。单例模式的实现方式有多种，包括懒汉式、饿汉式、双重检查锁等。在软件开发中，单例模式经常被用于需要唯一实例的场景，如配置信息、日志记录、线程池等。通过单例模式，可以简化系统架构，降低耦合度，提高代码的可维护性和可扩展性。

单例模式简单示意图

饿汉式单例模式

什么叫做饿汉式单例？为了方便记忆，老猫是这么理解的，饿汉给人的形象就是有食物就迫不及待地去吃的形象。那么饿汉式单例模式的形象也就是当类创建的时候就迫不及待地去创建单例对象，这种单例模式是绝对线程安全的，因为这种模式在尚未产生线程之前就已经创建了单例。

看一下示例，如下：

/**
 * 公众号：程序员老猫
 * 饿汉单例模式 
 */
public class HungrySingleton {

private static final HungrySingleton HUNGRY_SINGLETON = new HungrySingleton();

//构造函数私有化，保证不被new方式多次创建新对象
private HungrySingleton() {
}

public static HungrySingleton getInstance(){
return HUNGRY_SINGLETON;
}
}

我们看一下上述案例的优缺点：

• 优点：线程安全，类加载时完成初始化,获取对象的速度较快。
• 缺点：由于类加载的时候就完成了对象的创建，有的时候我们无需调用的情况下，对象已经存在，这样的话就会造成内存浪费。

当前硬件和服务器的发展，快于软件的发展，另外的，微服务和集群化部署，大大降低了横向扩展的门槛和成本，所以老猫觉得当前的内存其实是不值钱的，所以上述这种单例模式硬说其缺点有多严重其实也不然，个人觉得这种模式用于实际开发过程中其实是没有问题的。

其实在我们日常使用的spring框架中，IOC容器本身就是一个饿汉式单例模式，spring启动的时候就将对象加载到了内存中，这里咱们不做展开，等到后续咱们梳理到spring源代码的时候再展开来说。

懒汉式单例模式

上述饿汉单例模式我们说它的缺点是浪费内存，因为其在类加载的时候就创建了对象，那么针对这种内存浪费的解决方案，我们就有了“懒汉模式”。对于这种类型的单例模式，老猫是这么理解的，懒汉的定义给人的直观感觉是懒惰、拖延。那么对应的模式上来说，这种方案创建对象的方法也是在程序使用对象前，先判断该对象是否已经实例化（判空），若已实例化直接返回该类对象，否则则先执行实例化操作。

看一下示例，如下：

/**
 * 公众号：程序员老猫
 * 懒汉式单例模式
 */
public class LazySingleton {
private LazySingleton() {
}

private static LazySingleton lazySingleton = null;
public static LazySingleton getInstance() {
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton =new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}

上面这种单例模式创建对象，内存问题看起来是已经解决了，但是这种创建方式真的就线程安全了么？咱们接下来写个简单的测试demo：

public class Main {
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(()->{
LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
System.out.println(lazySingleton.toString());
});
Thread thread2 = new Thread(()->{
LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
System.out.println(lazySingleton.toString());
});
thread1.start();
thread2.start();
System.out.println("end");
}
}

执行输出结果如下：

end
LazySingleton@3fde6a42
LazySingleton@2648fc3a

从上述的输出中我们很容易地发现，两个线程中所获取的对象是不同的，当然这个是有一定概率性质的。所以在这种多线程请求的场景下，就出现了线程安全性问题。

聊到共享变量访问线程安全性的问题，我们往往就想到了锁，所以，咱们在原有的代码块上加上锁对其优化试试，我们首先想到的是给方法代码块加上锁。

加锁后代码如下：

public class LazySingleton {

private LazySingleton() {
}

private static LazySingleton lazySingleton = null;
public synchronized static LazySingleton getInstance() {
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton =new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}

经过上述同样的测试类运行之后，我们发现问题似乎解决了，每次运行之后得到的结果，两个线程对象的输出都是一致的。

我们用线程debug的方式看一下具体的运行情况，如下图：

线程输出

我们可以发现，当一个线程进行初始化实例时，另一个线程就会从Running状态自动变成了Monitor状态。试想一下，如果有大量的线程同时访问的时候，在这样一个锁的争夺过程中就会有很多的线程被挂起为Monitor状态。CPU压力随着线程数的增加而持续增加，显然这种实现对性能还是很有影响的。

那还有优化的空间么？当然有，那就是大家经常听到的“DCL”即“Double Check Lock” 实现如下：

/**
 * 公众号：程序员老猫
 * 懒汉式单例模式(DCL)
 * Double Check Lock
 */
public class LazySingleton {

private LazySingleton() {
}
//使用volatile防止指令重排
private volatile static LazySingleton lazySingleton = null;
public static LazySingleton getInstance() {
if (lazySingleton == null) {
synchronized (LazySingleton.class) {
if(lazySingleton == null){
lazySingleton =new LazySingleton();
}
}
}
return lazySingleton;
}
}

通过DEBUG，我们来看一下下图：

双重校验锁

这里引申一个常见的问题，大家在面试的时候估计也会碰到。问题：为什么要double check？去掉第二次check行不行？

回答：当2个线程同时执行getInstance方法时，都会执行第一个if判断，由于锁机制的存在，会有一个线程先进入同步语句，而另一个线程等待，当第一个线程执行了new Singleton()之后，就会退出synchronized的保护区域，这时如果没有第二重if判断，那么第二个线程也会创建一个实例，这就破坏了单例。

问题：这里为什么要加上volatile修饰关键字？回答：这里加上该关键字主要是为了防止”指令重排”。关于“指令重排”具体产生的原因我们这里不做细究，有兴趣的小伙伴可以自己去研究一下，我们这里只是去分析一下，“指令重排”所带来的影响。

lazySingleton =new LazySingleton();

这样一个看似简单的动作，其实从JVM层来看并不是一个原子性的行为，这里其实发生了三件事：

• 给LazySingleton分配内存空间。
• 调用LazySingleton的构造函数，初始化成员字段。
• 将LazySingleton指向分配的内存空间(注意此时的LazySingleton就不是null了)

在此期间存在着指令重排序的优化，第2、3步的顺序是不能保证的，最后的执行顺序可能是1-2-3，也可能是1-3-2，假如执行顺序是1-3-2，我们看看会出现什么问题。看一下下图：

指令重排执行

从上图中我们看到虽然LazySingleton不是null，但是指向的空间并没有初始化，最终被业务使用的时候还是会报错，这就是DCL失效的问题，这种问题难以跟踪难以重现可能会隐藏很久。

JDK1.5之前JMM(Java Memory Model，即Java内存模型)中的Cache、寄存器到主存的回写规定，上面第二第三的顺序无法保证。JDK1.5之后，SUN官方调整了JVM，具体化了volatile关键字，private volatile static LazySingleton lazySingleton;只要加上volatile，就可以保证每次从主存中读取（这涉及到CPU缓存一致性问题，感兴趣的小伙伴可以研究研究），也可以防止指令重排序的发生，避免拿到未完成初始化的对象。

上面这种方式可以有效降低锁的竞争，锁不会将整个方法全部锁定，而是锁定了某个代码块。其实完全做完调试之后我们还是会发现锁争夺的问题并没有完全解决，用到了锁肯定会对整个代码的执行效率带来一定的影响。所以是否存在保证线程的安全，并且能够不浪费内存完美的解决方案呢？一起看下下面的解决方案。

内部静态类单例模式

这种方式其实是利用了静态对象创建的特性来解决上述内存浪费以及线程不安全的问题。在这里我们要弄清楚，被static修饰的属性，类加载的时候，基本属性就已经加载完毕，但是静态方法却不会加载的时候自动执行，而是等到被调用之后才会执行。并且被STATIC修饰的变量JVM只为静态分配一次内存。(这里老猫不展开去聊static相关知识点，有兴趣的小伙伴也可以自行去了解一下更多JAVA中static关键字修饰之后的类、属性、方法的加载机制以及存储机制)

所以综合这一特性，我们就有了下面这样的写法：

public class LazyInnerClassSingleton {
private LazyInnerClassSingleton () {
}

public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
return LazyHolder.LAZY;
}

private static class LazyHolder {
private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
}
}

上面这种写法，其实也属于“懒汉式单例模式”，并且这种模式相对于“无脑加锁”以及“DCL”以及“饿汉式单例模式”来说无疑是最优的一种实现方式。

但是深度去追究的话，其实这种方式也会有问题，这种写法并不能防止反序列化和反射生成多个实例。我们简单看一下反射的破坏的测试类：

public class DestructionSingletonTest {
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
Class enumSingletonClass = LazyInnerClassSingleton.class;
//枚举默认有个String 和 int 类型的构造器
Constructor constructor = enumSingletonClass.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
//利用反射调用构造方法两次直接创建两个对象，直接破坏单例模式
LazyInnerClassSingleton singleton1 = (LazyInnerClassSingleton) constructor.newInstance();
LazyInnerClassSingleton singleton2 = (LazyInnerClassSingleton) constructor.newInstance();
}
}

这里序列化反序列化单例模式破坏老猫偷个懒，因为下面会有写到，有兴趣的小伙伴继续看下文，老猫觉得这种破坏场景在真实的业务使用场景比较极端，如果不涉及底层框架变动，光从业务角度来看，上面这些单例模式的实现已经管够了。当然如果硬是要防止上面的反射创建单例两次问题也能解决,如下：

public class LazyInnerClassSingleton {
private LazyInnerClassSingleton () {
if(LazyHolder.LAZY != null) {
throw new RuntimeException("不允许创建多个实例");
}
}

public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
return LazyHolder.LAZY;
}

private static class LazyHolder {
private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
}
}

写到这里，可能大家都很疑惑了，咋还没提及用单例模式优化线程池创建。下面这不来了么，老猫个人觉得上面的这种方式进行创建单例还是比较好的，所以就用这种方式重构一下线程池的创建，具体代码如下：

public class InnerClassLazyThreadPoolHelper {
public static void execute(Runnable runnable) {
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = ThreadPoolHelperHolder.THREAD_POOL_EXECUTOR;
threadPoolExecutor.execute(runnable);
}
/**
 * 静态内部类创建实例(单例).
 * 优点：被调用时才会创建一次实例
 */
public static class ThreadPoolHelperHolder {
private static final int CPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
private static final int CORE_POOL_SIZE = CPU + 1;
private static final int MAXIMUM_POOL_SIZE = CPU * 2 + 1;
private static final long KEEP_ALIVE_TIME = 1L;
private static final TimeUnit TIME_UNIT = TimeUnit.SECONDS;
private static final int MAX_QUEUE_NUM = 1024;

private ThreadPoolHelperHolder() {
}

private static final ThreadPoolExecutor THREAD_POOL_EXECUTOR = new ThreadPoolExecutor(
CORE_POOL_SIZE, MAXIMUM_POOL_SIZE, KEEP_ALIVE_TIME, TIME_UNIT,
new LinkedBlockingQueue(MAX_QUEUE_NUM),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
}
}