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【设计模式】单例模式

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿
177 0 0

文章目录

  • 单例模式详解
    • 0.概述
    • 1.饿汉式
      • 1.1 饿汉式单例实现
      • 1.2 破坏单例的几种情况
      • 1.3 预防单例的破坏
    • 2.枚举饿汉式
      • 2.1 枚举单例实现
      • 2.2 破坏单例
    • 3.懒汉式
    • 4.双检锁懒汉式
    • 5.内部类懒汉式
    • 6.JDK中单例的体现

单例模式详解

0.概述

为什么要使用单例模式？

在我们的系统中，有一些对象其实我们只需要一个，比如说：线程池、缓存、对话框、注册表、日志对象、充当打印机、显卡等设备驱动程序的对象。事实上，这一类对象只能有一个实例，如果制造出多个实例就可能会导致一些问题的产生，比如：程序的行为异常、资源使用过量、或者不一致性的结果。因此这里需要用到单例模式

使用单例模式的好处？

  • 对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间，这对于那些重量级对象而言，是非常可观的一笔系统开销
  • 由于 new 操作的次数减少，因而对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻 GC 压力，缩短 GC 停顿时间

1.饿汉式

1.1 饿汉式单例实现

实例会提前创建：

/**
* 饿汉式
*
* @author xppll
* @date 2021/12/24 21:21
*/
public class Singleton1 implements Serializable {
    //构造私有
    private Singleton1() {
        System.out.println("private Singleton1()");
    }

    //唯一实例
    private static final Singleton1 INSTANCE = new Singleton1();

    //获得实例方法
    public static Singleton1 getINSTANCE() {
        return INSTANCE;
    }

    //其他方法
    public static void otherMethod() {
        System.out.println("otherMethod()");
    }
}

测试：

/**
 * @author xppll
 * @date 2021/12/24 21:28
 */
public class TestSingleton {
    public static void main(String[] args) {
        //触发Singleton1类的初始化，会为类的静态变量赋予正确的初始值，单例对象就会被创建！
        Singleton1.otherMethod();
        System.out.println("-----------------------------------");
        System.out.println(Singleton1.getINSTANCE());
        System.out.println(Singleton1.getINSTANCE());
    }
}
//输出：
private Singleton1()
otherMethod()
-----------------------------------
singleton.Singleton1@10bedb4
singleton.Singleton1@10bedb4

1.2 破坏单例的几种情况

  1. 反射破坏单例
  2. 反序列化破坏单例
  3. Unsafe破坏单例

演示：

/**
 * @author xppll
 * @date 2021/12/24 21:28
 */
public class TestSingleton {
    public static void main(String[] args) throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException, ClassNotFoundException {
        //触发Singleton1类的初始化，会为类的静态变量赋予正确的初始值，单例对象就会被创建！
        Singleton1.otherMethod();
        System.out.println("-----------------------------------");
        System.out.println(Singleton1.getINSTANCE());
        System.out.println(Singleton1.getINSTANCE());

        //反射破坏单例
        reflection(Singleton1.class);

        //反序列化破坏单例
        serializable(Singleton1.getINSTANCE());

        //Unsafe破坏单例
        unsafe(Singleton1.class);

    }
	//反射破坏单例
    private static void reflection(Class<?> clazz) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
        //得到无参
        Constructor<?> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
        //将此对象的 accessible 标志设置为指示的布尔值,即设置其可访问性
        constructor.setAccessible(true);
        //创建实例
        System.out.println("反射创建实例：" + constructor.newInstance());
    }
	//反序列化破坏单例
    private static void serializable(Object instance) throws IOException, ClassNotFoundException {
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        //序列化
        oos.writeObject(instance);
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()));
        //反序列化
        System.out.println("反序列化创建示例：" + ois.readObject());
    }
	//Unsafe破坏单例
    private static void unsafe(Class<?> clazz) throws InstantiationException {
        Object o = UnsafeUtils.getUnsafe().allocateInstance(clazz);
        System.out.println("Unsafe 创建实例：" + o);
    }

}

结果：
【设计模式】单例模式

可以看出三种方式都会破坏单例！

1.3 预防单例的破坏

预防反射破坏单例

在构造方法中加个判断即可：

//构造私有
private Singleton1() {
    //防止反射破坏单例
    if(INSTANCE!=null){
        throw new RuntimeException("单例对象不能重复创建");
    }
    System.out.println("private Singleton1()");
}

预防反序列化破坏单例

在Singleton1()中重写readResolve方法：

//重写这个方法，如果序列化了，就会返回这个，不会返回反序列化的对象
public Object readResolve(){
    return  INSTANCE;
}

Unsafe破坏单例无法预防

2.枚举饿汉式

2.1 枚举单例实现

枚举实现单例：

/**
 * 枚举实现单例
 *
 * @author xppll
 * @date 2021/12/24 22:23
 */
public enum Singleton2 {
    INSTANCE;

    //枚举的构造方法默认是private的,可以不写
    Singleton2() {
        System.out.println("private Singleton2()");
    }

    //重写toString方法
    @Override
    public String toString() {
        return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
    }

    //获得实例方法（这个可以不要，枚举变量都是public的）
    public static Singleton2 getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    //其他方法
    public static void otherMethod() {
        System.out.println("otherMethod()");
    }
}

测试：

/**
 * @author xppll
 * @date 2021/12/24 21:28
 */
public class TestSingleton {
    public static void main(String[] args) throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException, ClassNotFoundException {
        //触发Singleton2类的初始化，会为类的静态变量赋予正确的初始值，单例对象就会被创建！
        Singleton2.otherMethod();
        System.out.println("-----------------------------------");
        System.out.println(Singleton2.getInstance());
        System.out.println(Singleton2.getInstance());
    }
}
//输出：
private Singleton2()
otherMethod()
-----------------------------------
singleton.Singleton2@2de80c
singleton.Singleton2@2de80c

可以看出当调用otherMethod()时，就会触发类的加载，枚举对象就会创建，所以枚举实现单例是饿汉式的

2.2 破坏单例

枚举类实现单例的好处：

  1. 反序列化无法破坏枚举单例
  2. 反射无法破坏枚举单例

栗子：

需要先修改反射破坏代码，枚举需要有参构造

public class TestSingleton {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Singleton5.otherMethod();
        System.out.println(">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
        System.out.println(Singleton5.getInstance());
        System.out.println(Singleton5.getInstance());

        //反序列化破坏单例
        serializable(Singleton2.getInstance());

        //Unsafe破坏单例
        unsafe(Singleton2.class);

        //反射破坏单例
        reflection(Singleton2.class);
    }

    private static void unsafe(Class<?> clazz) throws InstantiationException {
        Object o = UnsafeUtils.getUnsafe().allocateInstance(clazz);
        System.out.println("Unsafe 创建实例:" + o);
    }

    private static void serializable(Object instance) throws IOException, ClassNotFoundException {
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(instance);
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()));
        System.out.println("反序列化创建实例:" + ois.readObject());
    }

    private static void reflection(Class<?> clazz) throws NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, InvocationTargetException {
        Constructor<?> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
        constructor.setAccessible(true);
        System.out.println("反射创建实例:" + constructor.newInstance());
    }
}

结果：

【设计模式】单例模式

可以看出

  1. 反射是无法创建枚举对象！无法破坏枚举单例
  2. 反序列化也不会破坏枚举单例！
  3. Unsafe依然会破坏！

3.懒汉式

实现代码如下：

/**
 * 懒汉式
 *
 * @author xppll
 * @date 2021/12/25 08:34
 */
public class Singleton3 implements Serializable {
    //构造私有
    private Singleton3() {
        System.out.println("private Singleton3()");
    }

    //唯一实例
    private static Singleton3 INSTANCE = null;

    public static Singleton3 getInstance() {
        //第一次调用的时候才创建
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new Singleton3();
        }
        return INSTANCE;
    }

    //其他方法
    public static void otherMethod() {
        System.out.println("otherMethod()");
    }
}

测试：

/**
 * @author xppll
 * @date 2021/12/24 21:28
 */
public class TestSingleton {
    public static void main(String[] args) throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException, ClassNotFoundException {
        Singleton3.otherMethod();
        System.out.println("-----------------------------------");
        System.out.println(Singleton3.getInstance());
        System.out.println(Singleton3.getInstance());
    }
}

结果：

【设计模式】单例模式

可以看出只有在第一次调用getInstance()时才会创建唯一的单例对象，因此是懒汉式的。

但是这种方式在多线程环境下是会有问题的，可能多个线程会同时执行INSTANCE = new Singleton3();。因此这里需要在getInstance()方法上加上synchronized关键字保证多线程下的正确性：

public static synchronized Singleton3 getInstance() {
    //第一次调用的时候才创建
    if (INSTANCE == null) {
        INSTANCE = new Singleton3();
    }
    return INSTANCE;
}

但是这种方法是有问题的，第一次创建完对象后，以后的操作是不需要在加锁的，所以这种方式会影响性能！

我们的目标应该是第一次创建单例的时候给予保护，后续操作则不需要加锁保护！

4.双检锁懒汉式

针对上面的问题，这里给出第四种方法双检锁懒汉式进行优化：

/**
 * 双检锁懒汉式
 *
 * @author xppll
 * @date 2021/12/25 08:53
 */
public class Singleton4 {
    //构造私有
    private Singleton4() {
        System.out.println("private Singleton4()");
    }

    //唯一实例
    //这里volatile的作用是保证共享变量有序性！
    private static volatile Singleton4 INSTANCE = null;

    //双检锁优化
    public static synchronized Singleton4 getInstance() {
        //实例没创建，才会进入内部的 synchronized 代码块,提高性能，防止每次都加锁
        if (INSTANCE == null) {
            //可能第一个线程在synchronized 代码块还没创建完对象时，第二个线程已经到了这一步，所以里面还需要加上判断
            synchronized (Singleton4.class) {
                //也许有其他线程已经创建实例，所以再判断一次
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton4();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }

    //其他方法
    public static void otherMethod() {
        System.out.println("otherMethod()");
    }
}

关于这里的双检锁判断和volatile的使用可以看看我的这篇文章4-3节 ：double-checked locking 问题

5.内部类懒汉式

内部类懒汉式单例实现：

/**
 * 内部类懒汉式
 *
 * @author xppll
 * @date 2021/12/25 09:24
 */
public class Singleton5 {

    //构造私有
    private Singleton5() {
        System.out.println("private Singleton5()");
    }

    //静态内部类实现懒汉式单例，静态变量的创建会放在静态代码块里执行，jvm会保证其线程安全
    //只有第一次用到内部类时，才会初始化创建单例
    private static class Holder {
        static Singleton5 INSTANCE = new Singleton5();
    }

    //获得实例方法
    public static Singleton5 getInstance() {
        return Holder.INSTANCE;
    }

    //其他方法
    public static void otherMethod() {
        System.out.println("otherMethod()");
    }
}

测试：

/**
 * @author xppll
 * @date 2021/12/24 21:28
 */
public class TestSingleton {
    public static void main(String[] args) throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException, ClassNotFoundException {
        Singleton5.otherMethod();
        System.out.println("-----------------------------------");
        System.out.println(Singleton5.getInstance());
        System.out.println(Singleton5.getInstance());
    }
}

结果：

【设计模式】单例模式

可以看出内部类实现单例也是懒汉式的！

6.JDK中单例的体现

Runtime 体现了饿汉式单例

【设计模式】单例模式

System类下的Console 体现了双检锁懒汉式单例

【设计模式】单例模式

Collections 中的 EmptyNavigableSet内部类懒汉式单例

【设计模式】单例模式

Collections 中的ReverseComparator.REVERSE_ORDER 内部类懒汉式单例

【设计模式】单例模式

Comparators.NaturalOrderComparator.INSTANCE 枚举饿汉式单例

【设计模式】单例模式

【设计模式】单例模式

版权声明：程序员胖胖胖虎阿 发表于 2022年11月3日 下午5:32。
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