【Java设计模式】二、单例模式

文章目录

  • 0、单例模式
  • 1、饿汉式
  • 2、懒汉式
  • 3、双重检查
  • 4、静态内部类
  • 5、枚举
  • 6、单例模式的破坏：序列化和反序列化
  • 7、单例模式的破坏：反射
  • 8、单例模式的实际应用

设计模式即总结出来的一些最佳实现。GoF(四人组) 书中提到23种设计模式，可分为三大类：

  • 创建型模式：隐藏了创建对象的过程，通过逻辑方法进行创建对象，使用者不用关注对象的创建细节（对那种属性很多，创建麻烦的对象尤其好用）
  • 结构型模式：主要关注类和对象的组合关系。将类或对象按某种布局组成更大的结构
  • 行为型模式：主要关注对象之间的通信与配合

在这里插入图片描述

0、单例模式

  • 单例模式即在程序中想要保持一个实例对象，让某个类只有一个实例
  • 单例类必须自己创建自己唯一的实例，并对外提供
  • 优点：减少了内存开销

单例模式的实现，有以下几种思路：

1、饿汉式

  • 类加载就会导致该单实例对象被创建
  • 通过静态代码块或者静态变量直接初始化

方式一：静态成员变量的方式

public class HungrySingleton {private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();//私有的构造方法，只能本类调用，不给外界用private HungrySingleton(){}//提供一个获取实例的方法给外界public static HungrySingleton getInstance(){return hungrySingleton;}
}

方式二：静态代码块

public class HungrySingleton {private static HungrySingleton hungrySingleton = null;//  静态代码块中进行赋值static {hungrySingleton = new HungrySingleton();}//私有的构造方法，只能本类调用，不给外界用private HungrySingleton(){}//提供一个获取实例的方法给外界public static HungrySingleton getInstance(){return hungrySingleton;}
}

以上两种方式，对象会随着类的加载而创建，如果这个对象后来一直没被用，就有点白占内存了。

2、懒汉式

类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建


懒汉式方式一：线程不安全 
public class LazySingleton  {private static LazySingleton lazySingleton = null;/*** 私有的构造方法，保证出了本类就不能再被调用，以防直接去创建对象*/private LazySingleton() {}/*** 单例对象的获取*/public static LazySingleton getInstance() {if (lazySingleton == null) {lazySingleton = new LazySingleton();}return lazySingleton;}}

测试类启两个线程获取对象：

public class Test {public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->" + instance);}, "t1").start();new Thread(() -> {LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "-->" + instance);}, "t2").start();}
}

发现可能出现获取到两个不同对象的情况，这是因为线程安全问题：

在这里插入图片描述

两个线程A、B，同时执行完IF 这一行，被挂起，再被唤醒时继续往下执行，就会创建出两个不同的实例对象。那最先想到的应该是synchronized关键字解决，但这样性能低下，因为不管对象是否为null，每次都要等着获取锁。

//性能低下，一刀切，不可行
public static synchronized LazySingleton getInstance() {if (lazySingleton == null) {lazySingleton = new LazySingleton();}return lazySingleton;}

3、双重检查

通过两个IF判断，加上同步锁进行实现。（懒汉式方式二：双重检查）

public class DoubleCheckSingleton {private static DoubleCheckSingleton doubleCheckSingleton;/*** 私有的构造方法，保证出了本类就不能再被调用，以防直接去创建对象*/private DoubleCheckSingleton(){}public static DoubleCheckSingleton getInstance(){if(doubleCheckSingleton == null){synchronized (DoubleCheckSingleton.class){if(doubleCheckSingleton == null){doubleCheckSingleton = new DoubleCheckSingleton();}}}return doubleCheckSingleton;}
}

如此，再有A、B两个线程同时执行到第一个IF，只能有一个成功创建对象，另一个获取到锁后，第二重判断会告诉它已经有对象实例了。而亮点则在于，对象初始化完成后，后面来获取对象的线程不用等着拿锁，第一个IF就能告诉它已有对象，不用再等锁了。


以上双端检锁虽然线程安全，但问题是，JVM指令重排序后，可能出现空指针异常，可再加volatile关键字（volatile的可见性和有序性，这里用它的有序性）

//...
private static volatile DoubleCheckSingleton doubleCheckSingleton;
//...

4、静态内部类

在单例类中，通过私有的静态内部类，创建单例对象（加private修饰词的，出了本类无法调用和访问）。这也是懒汉式的第三种方式。

public class StaticInnerClassSingleton {/*** 私有的静态内部类实例化对象* 给内部类的属性赋值一个对象*/private static class InnerClass{private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton();}/*** 私有的构造方法，保证出了本类就不能再被调用，以防直接去创建对象*/private StaticInnerClassSingleton(){}/*** 对外提供获取实例的方法*/public static StaticInnerClassSingleton getInstance(){return InnerClass.staticInnerClassSingleton;}
}

外部类StaticInnerClassSingleton被加载时，其对象不一定被初始化，因为内部类没有被主动使用到。直到调用getInstance方法时，静态内部类InnerClass被加载，完成实例化。

静态内部类在被加载时，不会立即实例化，而是在第一次使用时才会被加载并初始化。

JVM在加载外部类的过程中，不会加载静态内部类，只有内部类的属性或方法被调用时才会被加载，并初始化其静态属性。 这种延迟加载的特性，使得我们可以通过静态内部类来实现在需要时创建单例对象。这种方式没有线程安全问题，也没有性能影响和空间的浪费。

5、枚举

  • 单例模式的最佳实现方式
  • 枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次
  • 可有效防止对单例模式的破坏
  • 属于饿汉式
public enum EnumSingleton {INSTANCE;public static EnumSingleton getInstance(){return INSTANCE;}
}

6、单例模式的破坏：序列化和反序列化

通过流将单例对象，序列化到文件中，然后再反序列化读取出来。发现通过反序列化方式创建出来的对象内存地址，和原对象不一样。或者对象序列化到文件后，两次反序列化得到的对象也不一样，单例模式被破坏。

public class TestSerializer {public static void main(String[] args) throws Exception {//懒汉式LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();//把对象序列化到文件中ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton"));oos.writeObject(instance);//从文件中反序列化对象ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("singleton"));LazySingleton objInstance = (LazySingleton) ois.readObject();System.out.println(instance);System.out.println(objInstance);System.out.println(instance == objInstance);}
}

在这里插入图片描述

可以发现单例模式的五种实现方式中，只有枚举不会被破坏单例模式。如果非要用其他几种模式，可以加readResolve方法来重写反序列化逻辑。因为反序列化创建对象时，是通过反射创建的，反射会调用readResolve方法，并将其返回值做为反序列化的结果。 没有重写readResolve方法时，会通过反射创建一个新的对象，从而破坏了单例模式。这一点在对象流ObjectInputStream的源码可看出：

在这里插入图片描述

public class LazySingleton implements Serializable {private static LazySingleton lazySingleton = null;/*** 私有的构造方法，保证出了本类就不能再被调用，以防直接去创建对象*/private LazySingleton() {}/*** 单例对象的获取*/public static LazySingleton getInstance() {if (lazySingleton == null) {lazySingleton = new LazySingleton();}return lazySingleton;}private Object readResolve(){return lazySingleton;}}

在这里插入图片描述

也可考虑使用@JsonCreator注解。

7、单例模式的破坏：反射

  • 通过字节码对象，创建构造器对象
  • 通过构造器对象，初始化单例对象
  • 由于单例对象的构造方法是private私有的，调用构造器中的方法，赋予权限，创建单例对象

注意私有修饰词时，反射会IllegalAccessException

在这里插入图片描述

处理下private问题，用懒汉模式验证：

public class TestReflect {public static void main(String[] args) throws Exception{//创建字节码对象Class<LazySingleton> clazz = LazySingleton.class;//构造器对象Constructor<LazySingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();//赋予权限constructor.setAccessible(true);//解决了私有化问题，获取实例对象LazySingleton o1 = constructor.newInstance();//再次反射LazySingleton o2 = constructor.newInstance();System.out.println(o1);System.out.println(o2);System.out.println(o1 == o2);}
}

在这里插入图片描述

用枚举的方式验证：

public class TestEnumReflect {public static void main(String[] args) throws Exception {Class<EnumSingleton> clazz = EnumSingleton.class;//枚举下的单例模式，创建构造方法时，需要给两个参数，薮泽NoSuchMethodException//这两个参数是源码中的体现，一个是String，一个是intConstructor<EnumSingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);constructor.setAccessible(true);EnumSingleton instanceReflect = constructor.newInstance("test",1234);EnumSingleton instanceSingleton = EnumSingleton.getInstance();System.out.println(instanceReflect);System.out.println(instanceSingleton);System.out.println(instanceReflect == instanceSingleton);}
}

运行报错：Cannot reflectively create enum objects，即反射创建枚举的单例对象，是不允许的：

在这里插入图片描述

在其他单例模式的实现方式里，也可以实现不允许通过反射创建对象，反射靠拿构造方法对象，调整下构造方法（比如双重检锁）：

public class DoubleCheckSingleton {private static DoubleCheckSingleton doubleCheckSingleton;/*** 私有的构造方法，保证出了本类就不能再被调用，以防直接去创建对象*/private DoubleCheckSingleton(){if (doubleCheckSingleton != null) {throw new RuntimeException("不允许创建多个对象");}}public static DoubleCheckSingleton getInstance(){if(doubleCheckSingleton == null){synchronized (DoubleCheckSingleton.class){if(doubleCheckSingleton == null){doubleCheckSingleton = new DoubleCheckSingleton();}}}return doubleCheckSingleton;}
}

或者：

在这里插入图片描述

8、单例模式的实际应用

JDK的Runtime类就是饿汉式的单例模式：

在这里插入图片描述

PS：Runtime类的简单使用 --> 执行DOS命令并获取结果

public class RuntimeDemo {public static void main(String[] args) throws IOException {//获取Runtime类对象Runtime runtime = Runtime.getRuntime();//返回 Java 虚拟机中的内存总量。System.out.println(runtime.totalMemory());//返回 Java 虚拟机试图使用的最大内存量。System.out.println(runtime.maxMemory());//创建一个新的进程执行指定的字符串命令，返回进程对象Process process = runtime.exec("ipconfig");//获取命令执行后的结果，通过输入流获取InputStream inputStream = process.getInputStream();byte[] arr = new byte[1024 * 1024* 100];//将流输入到数组，返回读到的字节个数int b = inputStream.read(arr); //字节数组转字符串，指定下字符集为GBKSystem.out.println(new String(arr,0 ,b ,"gbk"));}
}

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