Java单例模式详解--七种单例模式实现+单例安全+实际应用场景

单例模式

保证了一个类只有一个实例，并且提供了一个全局访问点。单例模式的主要作用是节省公共资源，方便控制，避免多个实例造成的问题。

实现单例模式的三点：

• 私有构造函数
• 私有静态变量维护对象实例
• 公有静态方法提供获取实例对象

七种单例模式实现

1.静态类：第一次运行初始化，全局使用

2.懒汉模式（线程不安全）：懒汉模式是指在第一次获取实例时才创建对象，实现了延迟加载，构造函数返回当前对象实例，但多个访问者同时获取对象实例，就会有多个同样的实例并存，不满足单例

publicclassLazySingleton{// 私有化构造器privateLazySingleton(){}// 定义一个静态变量存储唯一的LazySingleton对象privatestaticLazySingleton instance =null;// 提供一个公共的静态方法获取LazySingleton对象publicstaticLazySingletongetInstance(){// 如果instance为空，则创建一个新的对象if(instance ==null){
            instance =newLazySingleton();}// 返回instance对象return instance;}}

懒汉模式（线程安全）：加锁，保证线程安全，但是锁占用，导致资源浪费

3.饿汉模式（线程安全）：与第一种方式基本一致，在程序启动时直接运行加载，但是可能造成资源浪费。

publicclassHungrySingleton{// 私有化构造器privateHungrySingleton(){}// 定义一个静态变量存储唯一的HungrySingleton对象，并且直接初始化privatestaticHungrySingleton instance =newHungrySingleton();// 提供一个公共的静态方法获取HungrySingleton对象publicstaticHungrySingletongetInstance(){// 直接返回instance对象return instance;}}

4.使用类的静态内部类：既保证线程安全，又保证懒汉模式，没有加锁影响性能（推荐）

publicclassSingletonInnerStatic{privatestaticclassSingletonHoler{// 静态初始化器，由JVM来保证线程安全privatestaticSingletonInnerStatic instance =newSingletonInnerStatic();}// 私有构造函数privateSingletonInnerStatic(){}// 获取对象实例的方法publicstaticSingletonInnerStaticgetInstance(){returnSingletonHoler.instance;}}

5.双重锁校验：

publicclassSingletonDoubleCheck{// 类引用privatestaticvolatileSingletonDoubleCheck singletonDoubleCheck;// 构造函数私有化privateSingletonDoubleCheck(){}// 双重校验 + 锁实现单例publicstaticSingletonDoubleCheckgetInstance(){// 第一次校验是否为nullif(singletonDoubleCheck ==null){// 不为空则加锁synchronized(SingletonDoubleCheck.class){// 第二次校验是否为nullif(singletonDoubleCheck ==null){
                    singletonDoubleCheck =newSingletonDoubleCheck();}}}return singletonDoubleCheck;}}

第一次校验是否为null:

主要是为了实现返回单例，避免多余的加锁操作，以及锁的等待和竞争，如果条件不成立就说明已经生成实例，直接返回即可，提高程序执行的效率。

第二次校验是否为null:

第二次校验是关键，这里防止了多线程创建多个实例（一般为两个），这里的特殊情况是这样的：在未创建实例的情况下，A线程和B线程都通过了第一次校验（

singletonDoubleCheck

为空）,这时如果通过竞争B线程拿到了锁就会执行一次

new

操作，生成一个实例，然后B执行完了A就会拿到资源的锁，如果没有第二次判断的话，这时A线程也会执行一次

new

操作，这里就出现了第二个类实例，违背了单例原则。所以说两次校验都是必不可少的。

提一下上述代码中类引用中的

volatile

关键字是不能少的：

常见的，该关键字能够实现变量在内存中的可见性（告诉JVM在使用该关键字修饰的变量时在内存中取值，而不是用特定内存区域的副本，因为真实的值可能已经被修改过了），它的另外一种作用是防止JVM对指令进行重排。

其实，在

new

一个对象的时候会有如下步骤（指令）：

1. 分配内存空间
2. 初始化引用
3. 将引用指向内存空间

正常的逻辑肯定以为是这样执行的 1 -> 2 -> 3，但是偏偏JVM拥有指令重排的能力，所以说执行顺序是随机的，可能是 1 -> 3 -> 2，这样的话在多线程环境下可能会拿到空引用：线程A先执行了1,3步骤，紧接着线程B执行

getInstance

，发现不为null（这里的==是判断实际的值，即引用指向的内存空间），就会返回引用，然而此时引用未初始化。所以说

volatile

在这里保证指令的执行顺序，在多线程情况下不可少。

6.AtomicReference是一个支持原子操作的对象引用变量，它可以利用CAS（比较并交换）技术来保证线程安全和高效性。一个基本的AtomicReference单例的代码示例如下：

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicReference;publicclassSingleton{privatestaticfinalAtomicReference<Singleton> INSTANCE =newAtomicReference<>();privateSingleton(){}publicstaticSingletongetInstance(){for(;;){Singleton singleton = INSTANCE.get();if(singleton !=null){return singleton;}
            singleton =newSingleton();if(INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)){return singleton;}}}}

要使用这个单例，只需调用

Singleton.getInstance()

即可。

7.枚举类实现单例模式是一种简洁、安全、有效的方法，它可以防止反射和序列化攻击，保证线程安全和唯一性。一个基本的枚举单例的代码示例如下：

publicenumSingleton{
    INSTANCE;publicvoiddoSomething(){// ...}}

要使用这个单例，只需调用

Singleton.INSTANCE.doSomething()

即可。

测试：

有以下几种方法可以测试单例的有效性，即是否能保证在多线程环境下，只有一个对象实例被创建和返回。：

• 使用反射机制，尝试创建多个单例对象，检查它们的内存地址是否相同。
• 使用序列化和反序列化机制，尝试创建多个单例对象，检查它们的内存地址是否相同。
• 使用多线程并发调用getInstance()方法，检查返回的对象是否都是同一个实例。
• 使用断言或者日志打印等方式，验证getInstance()方法返回的对象是否符合预期。

安全：

三种攻击方式：

• 反射攻击：利用jdk反射API，修改单例类构造函数的访问权限，然后调用构造函数；
• 序列化攻击：将单例对象实例以字节流的方式写入到文件中，然后再读取文件字节流，反序列化生成对象实例;
• 调用对象的克隆方法。

publicclassSingletonAtack{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsException{//正常单例对象Singleton single1 =Singleton.getInstance();//1. 反射攻击Class clazz =Singleton.class;Constructor cons = clazz.getDeclaredConstructor(null);
        cons.setAccessible(true);Singleton single2 =(Singleton) cons.newInstance(null);//2. 序列化攻击FileOutputStream fos =newFileOutputStream("a.txt");ObjectOutputStream oos =newObjectOutputStream(fos);
        oos.writeObject(single1);
        oos.flush();
        oos.close();FileInputStream fis =newFileInputStream("a.txt");ObjectInputStream ois =newObjectInputStream(fis);Singleton single3 =(Singleton) ois.readObject();//3. clone攻击Singleton single4 =(Singleton) single1.clone();}}

防止攻击代码示例：

• 防止反射攻击：在单例类的构造函数中添加判断逻辑，如果已经存在实例对象，就抛出异常。例如：

publicclassSingleton{privatestaticvolatileSingleton instance;privateSingleton(){// 防止反射攻击if(instance !=null){thrownewRuntimeException("单例模式不允许多个实例");}}publicstaticSingletongetInstance(){if(instance ==null){synchronized(Singleton.class){if(instance ==null){
                    instance =newSingleton();}}}return instance;}}

• 防止序列化攻击：在单例类中实现readResolve方法，返回已有的实例对象。例如：

publicclassSingletonimplementsSerializable{privatestaticfinallong serialVersionUID =1L;privatestaticvolatileSingleton instance;privateSingleton(){}publicstaticSingletongetInstance(){if(instance ==null){synchronized(Singleton.class){if(instance ==null){
                    instance =newSingleton();}}}return instance;}// 防止序列化攻击privateObjectreadResolve()throwsObjectStreamException{return instance;}}

• 防止克隆攻击：在单例类中重写clone方法，返回已有的实例对象。例如：

publicclassSingletonimplementsCloneable{privatestaticvolatileSingleton instance;privateSingleton(){}publicstaticSingletongetInstance(){if(instance ==null){synchronized(Singleton.class){if(instance ==null){
                    instance =newSingleton();}}}return instance;}// 防止克隆攻击@OverrideprotectedObjectclone()throwsCloneNotSupportedException{return instance;}}

场景：

• 数据库连接池：为了避免频繁地创建和销毁数据库连接，可以使用单例模式来管理数据库连接池，保证只有一个连接池对象存在。
• 配置文件读取器：为了提高配置文件的读取效率，可以使用单例模式来缓存配置文件的内容，保证只有一个配置文件读取器对象存在。
• 日志记录器：为了统一管理日志的输出和格式，可以使用单例模式来创建日志记录器对象，保证只有一个日志记录器对象存在。

单例模式应用示例代码：

• 日志对象，可以使用java.util.logging.Logger类来创建和获取单例的日志对象。例如：

publicclassLogTest{// 使用LogTest类的名称作为日志对象的标识符privatestaticfinalLogger logger =Logger.getLogger(LogTest.class.getName());publicstaticvoidmain(String[] args){// 使用日志对象记录一条信息级别的消息
        logger.info("This is a log message");}}

• 驱动对象，可以使用java.sql.DriverManager类来注册和获取单例的驱动对象。例如：

publicclassDriverTest{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsSQLException{// 注册MySQL驱动DriverManager.registerDriver(newcom.mysql.jdbc.Driver());// 获取MySQL驱动实例Driver driver =DriverManager.getDriver("jdbc:mysql://localhost:3306/test");// 使用驱动实例连接数据库Connection conn = driver.connect("jdbc:mysql://localhost:3306/test",null);}}

• 缓存对象，可以使用一个静态变量和一个私有构造器来实现单例的缓存对象。例如：

publicclassCache{// 创建并初始化一个缓存实例作为静态变量privatestaticfinalCache INSTANCE =newCache();// 创建一个Map用于存储键值对数据privateMap<String,Object> data;// 私有化构造器，防止外部创建新的缓存实例privateCache(){
        data =newHashMap<>();}// 提供一个公共方法用于获取缓存实例publicstaticCachegetInstance(){return INSTANCE;}// 提供一个公共方法用于向缓存中添加数据publicvoidput(String key,Object value){
        data.put(key, value);}// 提供一个公共方法用于从缓存中获取数据publicObjectget(String key){return data.get(key);}}

• 线程池对象，可以使用java.util.concurrent.Executors类来创建和获取单例的线程池对象。例如：

publicclassThreadPoolTest{// 创建并初始化一个固定大小为10的线程池作为静态变量 privatestaticfinalExecutorService executor =Executors.newFixedThreadPool(10);publicstaticvoidmain(String[] args){for(int i =0; i <20; i++){// 向线程池提交20个任务，并由线程池分配给空闲线程执行 
         executor.execute(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is running");}});}// 关闭线程池，不再接受新任务，并等待已提交任务完成后退出 
      executor.shutdown();}}

• Runtime对象，可以使用java.lang.Runtime类的getRuntime方法来获取单例的Runtime对象。例如：

publicclassRuntimeTest{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsIOException{// 获取单例的Runtime实例  Runtime runtime =Runtime.getRuntime();// 使用Runtime实例执行一个命令  Process process = runtime.exec("notepad.exe");}}

• Desktop对象，可以使用java.awt.Desktop类的getDesktop方法来获取单例的Desktop对象。例如：

publicclassDesktopTest{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsIOException{// 获取单例的Desktop实例   Desktop desktop =Desktop.getDesktop();// 使用Desktop实例打开一个文件   File file =newFile("test.txt");   
      desktop.open(file);}}