Java 枚举实现单例模式，线程安全又优雅！

- 日理万妓 2023-09-25 16:51 53阅读 0赞

## 1. 双重校验锁单例（DCL） ##

public class Singleton {
    
        private static volatile Singleton singleton;
    
        private Singleton(){
        }
        
        public static Singleton getInstance(){
            if (singleton == null){
                synchronized (Singleton.class){
                    if (singleton == null){
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }
    }

这种DCL写法的优点：不仅线程安全，而且延迟加载。

### 1.1 为什么要double check？去掉第二次check行不行？ ###

当然不行，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。

### 1.2 singleton为什么要加上volatile关键字? ###

主要原因就是 `singleton = new Singleton();`不是一个原子操作。

在JVM中，这句语句至少做了3件事

1.  给Singleton的实例分配内存空间；
2.  调用`Singleton()`的构造函数，初始化成员字段；
3.  将singleton指向分配的内存空间(此时singleton就不是null了)

因为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

![ef096f48fcd3dec294ab41cdc643f924.png][]

虽然singleton不是null，但是指向的空间并没有初始化，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 static volatile Singleton singleton;`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，不在本文探讨范围内，有兴趣自行搜索），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。

简单讲，volatile主要就是限制JIT编译器优化，编译器优化常用的方法有：

*  将内存变量缓存到寄存器；
 *  调整指令顺序充分利用CPU指令流水线，常见的是重新排序读写指令。

如果没有volatile关键字，则编译器可能优化读取，使用寄存器中的缓存值，如果这个变量由别的线程更新了的话，将出现实际值和读取的值不一致。使用了volatile后，编译器读取的时候跳过缓存，直接在内存中的实际位置读变量，写的时候通知其他缓存更新，这就是所谓的保证内存可见性，并且使用volatile还能禁止指令重排序。

public volatile int a = 11;
    ......
    int c = 6;
    c = a;// 执行这一句的时候，在高并发情况下，a如果被修改为22，那么c会被赋值为22而不是11
    //如果a不被volatile修饰，c有小概率被赋值为11，因为c取寄存器的缓存副本11还没来得及更新

## 2. 静态内部类单例 ##

public class Singleton{
     private Singleton(){}
     
     private static class SingletonInstance {
         private static Singleton singleton = new Singleton();
     }
     
     public static Singleton getInstance(){
       return SingletonInstance.singleton;
     }
    }

与饿汉式的区别就在于，类加载的时候，这里并不会实例化对象，只有调用getInstance方法才会实例化对象。

和DCL优点一样，延迟加载，效率高。

虽然DCL和静态单例都不错，但是它们并不能防止反序列化和反射生成多个实例。更好的写法当然是枚举单例了！

## 3. 枚举单例 (推荐！！) ##

其他所有的实现单例的方式其实是有问题的，那就是可能被反序列化和反射破坏。

我们来看看JDK1.5中添加的枚举类来实现单例

public enum Singleton {
     INSTANCE,
    
     public void testMethod() {
      
     }
    }

枚举的写法的优点：

*  不用考虑懒加载和线程安全的问题，代码写法简洁优雅
 *  线程安全

反编译任何一个枚举类会发现，枚举类里的各个枚举项是是通过static代码块来定义和初始化的(可以见后面3.2节反编译分析单例枚举有分析到这个)，它们会在类被加载时完成初始化，而java类的加载由JVM保证线程安全，所以，创建一个Enum类型的枚举是线程安全的

*  防止破坏单例

我们知道，序列化可以将一个单例的实例对象写到磁盘，然后再反序列化读回来，从而获得一个新的实例。即使构造函数是私有的，反序列化时依然可以通过特殊的途径去创建类的一个新的实例，相当于调用该类的构造函数。

Java对枚举的序列化作了规定，在序列化时，仅将枚举对象的name属性输出到结果中，在反序列化时，就是通过java.lang.Enum的valueOf来根据名字查找对象，而不是新建一个新的对象。枚举在序列化和反序列化时，并不会调用构造方法，这就防止了反序列化导致的单例破坏的问题。

对于反射破坏单例的而言，枚举类有同样的防御措施，反射在通过newInstance创建对象时，会检查这个类是否是枚举类，如果是，会抛出异常`java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects`，表示反射创建对象失败。

综上，枚举可以防止反序列化和反射破坏单例。

### 3.1 枚举单例模式的使用 ###

// Singleton.java
    public enum Singleton {
        INSTANCE;
    
        public void testMethod() {
            System.out.println("执行了单例类的方法");
        }
    }
    
    // Test.java
    public class Test {
     public static void main(String[] args) {
            //演示如何使用枚举写法的单例类
            Singleton.INSTANCE.testMethod();
            System.out.println(Singleton.INSTANCE);
        }
    }

运行结果如下：

![5f62711efa3be7ba87553f38629cd087.png][]

### 3.2 反编译分析单例枚举类 ###

为了让大家进一步了解枚举类，我们将上面枚举单例类进行反编译`javap -p Singleton.class`，其中-p的意思是反编译的时候要包含私有方法。

// 这是反编译后的内容
    public final class Singleton extends java.lang.Enum<Singleton> {
      public static final Singleton INSTANCE;
      private static final Singleton[] $VALUES;
      public static Singleton[] values();
      public static Singleton valueOf(java.lang.String);
      private Singleton();
      public void testMethod();
      static {};
    }

我们可以看到，

*  INSTANCE是Singleton类的实例
 *  Singleton继承了`java.lang.Enum`类
 *  这里还有一个私有的Singleton的无参构造方法，枚举类的枚举项都会使用这个构造方法来实例化，也就是说，这里的INSTANCE会使用这个构造方法来实例化。
 *  实例化的过程发生在最后空的static代码块中，可以通过javap的其他参数进一步分析static里面的字节码内容，static里面其实包含了很多字节码指令，这些指令在做枚举项INSTANCE的初始化工作，而static代码块是在类加载的时候执行的，也就是说Singleton类被加载的时候，INSTANCE就被初始化了。static代码块里面除了初始化INSTANCE，`Singleton[] $VALUES`这个定义的私有的数组也是在static里面创建和初始化的。然后把所有枚举项按照定义的顺序放入这个$VALUES数组中，最后我们可以通过values方法来访问这个数组

为了分析每个方法中的操作，我们使用`javap -p -c -v Singleton.class`来看看更详细的，`-c`来看每个方法中的字节码，`-v`把常量池信息也打印出来，这里了解即可，看不懂就看我上面的结论吧，重点只需要看static代码块部分的字节码，下面是为结论做一个验证。

/**
     * @author: 砖业洋__
     * @description: 我重点只分析最后的static部分
     */
    public final class Singleton extends java.lang.Enum<Singleton>
      minor version: 0
      major version: 52
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER, ACC_ENUM
    Constant pool:     // 需要注意常量池的部分，后面分析每条指令的时候可以回到这里查阅
       #1 = Fieldref           #4.#37         // Singleton.$VALUES:[LSingleton;
       #2 = Methodref          #38.#39        // "[LSingleton;".clone:()Ljava/lang/Object;
       #3 = Class              #17            // "[LSingleton;"
       #4 = Class              #40            // Singleton
       #5 = Methodref          #13.#41        // java/lang/Enum.valueOf:(Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
       #6 = Methodref          #13.#42        // java/lang/Enum."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
       #7 = Fieldref           #43.#44        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       #8 = String             #45            // 执行了单例类的方法
       #9 = Methodref          #46.#47        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      #10 = String             #14            // INSTANCE
      #11 = Methodref          #4.#42         // Singleton."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
      #12 = Fieldref           #4.#48         // Singleton.INSTANCE:LSingleton;
      #13 = Class              #49            // java/lang/Enum
      #14 = Utf8               INSTANCE
      #15 = Utf8               LSingleton;
      #16 = Utf8               $VALUES
      #17 = Utf8               [LSingleton;
      #18 = Utf8               values
      #19 = Utf8               ()[LSingleton;
      #20 = Utf8               Code
      #21 = Utf8               LineNumberTable
      #22 = Utf8               valueOf
      #23 = Utf8               (Ljava/lang/String;)LSingleton;
      #24 = Utf8               LocalVariableTable
      #25 = Utf8               name
      #26 = Utf8               Ljava/lang/String;
      #27 = Utf8               <init>
      #28 = Utf8               (Ljava/lang/String;I)V
      #29 = Utf8               this
      #30 = Utf8               Signature
      #31 = Utf8               ()V
      #32 = Utf8               testMethod
      #33 = Utf8               <clinit>
      #34 = Utf8               Ljava/lang/Enum<LSingleton;>;
      #35 = Utf8               SourceFile
      #36 = Utf8               Singleton.java
      #37 = NameAndType        #16:#17        // $VALUES:[LSingleton;
      #38 = Class              #17            // "[LSingleton;"
      #39 = NameAndType        #50:#51        // clone:()Ljava/lang/Object;
      #40 = Utf8               Singleton
      #41 = NameAndType        #22:#52        // valueOf:(Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
      #42 = NameAndType        #27:#28        // "<init>":(Ljava/lang/String;I)V
      #43 = Class              #53            // java/lang/System
      #44 = NameAndType        #54:#55        // out:Ljava/io/PrintStream;
      #45 = Utf8               执行了单例类的方法
      #46 = Class              #56            // java/io/PrintStream
      #47 = NameAndType        #57:#58        // println:(Ljava/lang/String;)V
      #48 = NameAndType        #14:#15        // INSTANCE:LSingleton;
      #49 = Utf8               java/lang/Enum
      #50 = Utf8               clone
      #51 = Utf8               ()Ljava/lang/Object;
      #52 = Utf8               (Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
      #53 = Utf8               java/lang/System
      #54 = Utf8               out
      #55 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
      #56 = Utf8               java/io/PrintStream
      #57 = Utf8               println
      #58 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
    {
      public static final Singleton INSTANCE; // 定义枚举项
        descriptor: LSingleton;
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL, ACC_ENUM
    
      private static final Singleton[] $VALUES; // 定义对象数组，并没有初始化，只是空引用
        descriptor: [LSingleton;
        flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_FINAL, ACC_SYNTHETIC
    
      public static Singleton[] values();
        descriptor: ()[LSingleton;
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
          stack=1, locals=0, args_size=0
             0: getstatic     #1                  // Field $VALUES:[LSingleton;
             3: invokevirtual #2                  // Method "[LSingleton;".clone:()Ljava/lang/Object;
             6: checkcast     #3                  // class "[LSingleton;"
             9: areturn
          LineNumberTable:
            line 1: 0
    
      public static Singleton valueOf(java.lang.String);
        descriptor: (Ljava/lang/String;)LSingleton;
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
          stack=2, locals=1, args_size=1
             0: ldc           #4                  // class Singleton
             2: aload_0
             3: invokestatic  #5                  // Method java/lang/Enum.valueOf:(Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
             6: checkcast     #4                  // class Singleton
             9: areturn
          LineNumberTable:
            line 1: 0
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0      10     0  name   Ljava/lang/String;
    
      private Singleton();
        descriptor: (Ljava/lang/String;I)V
        flags: ACC_PRIVATE
        Code:
          stack=3, locals=3, args_size=3
             0: aload_0       // 栈操作指令，把局部方法表里的第0个位置的变量load加载到栈上来，a前缀表示它是一个引用类型。
           // 提醒: 当JVM执行一段代码的时候，首先会把用到的所有的变量存在一个本地变量表里————局部变量表。
           // 在栈上做计算的时候，需要使用局部方法表的值，就会通过load指令把它们加载到栈上来
           // 在栈上运算完之后，需要把值存回到局部方法表，所以也会有对应的store指令，load和store是对应的。
             1: aload_1
             2: iload_2
             3: invokespecial #6                  // Method java/lang/Enum."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
             6: return
          LineNumberTable:
            line 1: 0
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       7     0  this   LSingleton;
        Signature: #31                          // ()V
    
      public void testMethod();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=2, locals=1, args_size=1
             0: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
             3: ldc           #8                  // String 执行了单例类的方法
             5: invokevirtual #9                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
             8: return
          LineNumberTable:
            line 5: 0
            line 6: 8
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       9     0  this   LSingleton;
    
      static {};
        descriptor: ()V.        // 就是代表返回void类型
        flags: ACC_STATIC
        Code:
          stack=4, locals=0, args_size=0
             0: new           #4                  // class Singleton
             // new #4表示从常量池里拿到标号4这个类型的名字，往上看Constant pool部分的定义可知就是Singleton这个类，然后new出来变成对象
             3: dup          // 然后dup压栈
             4: ldc           #10                 // String INSTANCE,将常量池中标号10的String类型的值INSTANCE推送到栈顶
             6: iconst_0        // 定义一个int类型的变量值为0，我也不知道这里定义个常量有什么卵用
             7: invokespecial #11                 // Method "<init>":(Ljava/lang/String;I)V，调用构造器初始化，返回类型为void
            10: putstatic     #12                 // Field INSTANCE:LSingleton;给INSTANCE这个静态变量赋值，和name一样
            13: iconst_1        // 定义一个int类型的变量值为1，然并卵
            14: anewarray     #4                  // class Singleton，实例化一个装Singleton枚举类型的数组，这里就是$VALUES数组
            17: dup
            18: iconst_0
            19: getstatic     #12                 // Field INSTANCE:LSingleton;取出字段INSTANCE的name值
            22: aastore         
            23: putstatic     #1                  // Field $VALUES:[LSingleton;将局部变量表中的枚举项的name值都依次放入$VALUES数组中
            26: return
          LineNumberTable:
            line 2: 0
            line 1: 13
    }

实编译完的字节码是给JVM看的，JVM只需要无脑顺序往下执行即可。多的方面就涉及JVM很多内容了，和本文主题无关，这里大家主要看static代码块中有哪些指令，明白枚举为什么会线程安全即可。

[ef096f48fcd3dec294ab41cdc643f924.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/ef096f48fcd3dec294ab41cdc643f924.png
[5f62711efa3be7ba87553f38629cd087.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/5f62711efa3be7ba87553f38629cd087.png