【设计模式】单例模式

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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
*/publicclassSingleton1implementsSerializable{//构造私有privateSingleton1(){System.out.println("private Singleton1()");}//唯一实例privatestaticfinalSingleton1 INSTANCE =newSingleton1();//获得实例方法publicstaticSingleton1getINSTANCE(){return INSTANCE;}//其他方法publicstaticvoidotherMethod(){System.out.println("otherMethod()");}}

测试：

/**
 * @author xppll
 * @date 2021/12/24 21:28
 */publicclassTestSingleton{publicstaticvoidmain(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：privateSingleton1()otherMethod()-----------------------------------singleton.Singleton1@10bedb4singleton.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
 */publicclassTestSingleton{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsInvocationTargetException,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privatestaticvoidreflection(Class<?> clazz)throwsNoSuchMethodException,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privatestaticvoidserializable(Object instance)throwsIOException,ClassNotFoundException{ByteArrayOutputStream bos =newByteArrayOutputStream();ObjectOutputStream oos =newObjectOutputStream(bos);//序列化
        oos.writeObject(instance);ObjectInputStream ois =newObjectInputStream(newByteArrayInputStream(bos.toByteArray()));//反序列化System.out.println("反序列化创建示例："+ ois.readObject());}//Unsafe破坏单例privatestaticvoidunsafe(Class<?> clazz)throwsInstantiationException{Object o =UnsafeUtils.getUnsafe().allocateInstance(clazz);System.out.println("Unsafe 创建实例："+ o);}}

结果：

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privateSingleton1(){//防止反射破坏单例if(INSTANCE!=null){thrownewRuntimeException("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publicObjectreadResolve(){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
 */publicenumSingleton2{
    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@OverridepublicStringtoString(){returngetClass().getName()+"@"+Integer.toHexString(hashCode());}//获得实例方法（这个可以不要，枚举变量都是public的）publicstaticSingleton2getInstance(){return INSTANCE;}//其他方法publicstaticvoidotherMethod(){System.out.println("otherMethod()");}}

测试：

/**
 * @author xppll
 * @date 2021/12/24 21:28
 */publicclassTestSingleton{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsInvocationTargetException,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：privateSingleton2()otherMethod()-----------------------------------singleton.Singleton2@2de80csingleton.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

publicclassTestSingleton{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsException{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);}privatestaticvoidunsafe(Class<?> clazz)throwsInstantiationException{Object o =UnsafeUtils.getUnsafe().allocateInstance(clazz);System.out.println("Unsafe 创建实例:"+ o);}privatestaticvoidserializable(Object instance)throwsIOException,ClassNotFoundException{ByteArrayOutputStream bos =newByteArrayOutputStream();ObjectOutputStream oos =newObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(instance);ObjectInputStream ois =newObjectInputStream(newByteArrayInputStream(bos.toByteArray()));System.out.println("反序列化创建实例:"+ ois.readObject());}privatestaticvoidreflection(Class<?> clazz)throwsNoSuchMethodException,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：

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
 */publicclassSingleton3implementsSerializable{//构造私有privateSingleton3(){System.out.println("private Singleton3()");}//唯一实例privatestaticSingleton3 INSTANCE =null;publicstaticSingleton3getInstance(){//第一次调用的时候才创建if(INSTANCE ==null){
            INSTANCE =newSingleton3();}return INSTANCE;}//其他方法publicstaticvoidotherMethod(){System.out.println("otherMethod()");}}

测试：

/**
 * @author xppll
 * @date 2021/12/24 21:28
 */publicclassTestSingleton{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsInvocationTargetException,NoSuchMethodException,InstantiationException,IllegalAccessException,IOException,ClassNotFoundException{Singleton3.otherMethod();System.out.println("-----------------------------------");System.out.println(Singleton3.getInstance());System.out.println(Singleton3.getInstance());}}

结果：

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：

publicstaticsynchronizedSingleton3getInstance(){//第一次调用的时候才创建if(INSTANCE ==null){
        INSTANCE =newSingleton3();}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
 */publicclassSingleton4{//构造私有privateSingleton4(){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！privatestaticvolatileSingleton4 INSTANCE =null;//双检锁优化publicstaticsynchronizedSingleton4getInstance(){//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 =newSingleton4();}}}return INSTANCE;}//其他方法publicstaticvoidotherMethod(){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
 */publicclassSingleton5{//构造私有privateSingleton5(){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privatestaticclassHolder{staticSingleton5 INSTANCE =newSingleton5();}//获得实例方法publicstaticSingleton5getInstance(){returnHolder.INSTANCE;}//其他方法publicstaticvoidotherMethod(){System.out.println("otherMethod()");}}

测试：

/**
 * @author xppll
 * @date 2021/12/24 21:28
 */publicclassTestSingleton{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsInvocationTargetException,NoSuchMethodException,InstantiationException,IllegalAccessException,IOException,ClassNotFoundException{Singleton5.otherMethod();System.out.println("-----------------------------------");System.out.println(Singleton5.getInstance());System.out.println(Singleton5.getInstance());}}

结果：

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

System类下的Console 体现了双检锁懒汉式单例

Collections 中的 EmptyNavigableSet内部类懒汉式单例

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

Comparators.NaturalOrderComparator.INSTANCE 枚举饿汉式单例