单例模式的运用

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文章目录

单例模式的运用
- 一、介绍
- 二、饿汉式
- - 2.1 静态变量方式
  - 2.2 静态代码块方式
  - 2.3 枚举方式
- 三、懒汉式
- - 3.1 线程不安全方式
  - 3.2 线程安全方式
  - 3.3 双重检查锁方式
  - 3.4 静态内部类方式
- 四、破坏单例模式
- - 4.1 序列化破坏
  - 4.2 序列化破坏解决办法
  - 4.3 反射破坏
  - 4.4 反射破坏解决办法

单例模式的运用

一、介绍

单例模式：属于创建型模式，涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例设计模式分类两种：

饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建。
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。

二、饿汉式

2.1 静态变量方式

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并创建Singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。

/**
 * 静态变量创建类的对象
 */
public class Singleton {
    // 私有类的无参构造
    private Singleton() {}
    // 给本类创建一个新的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰
    private static Singleton instance = new Singleton();
    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

public static void main(String[] args) {
          // 重复调用Singletion类的getInstance方法
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
        System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

2.2 静态代码块方式

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，而对象的创建是在静态代码块中，也是对着类的加载而创建。所以和饿汉式的静态变量方式基本上一样，当然该方式也存在内存浪费问题。

/**
 * 静态变量创建类的对象
 */
public class Singleton {
    // 私有的构造方法
    private Singleton(){}
    // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰
    private static Singleton instance;//null
    // 在静态代码块中进行赋值，创建Singleton的对象
    static{
        instance = new Singleton();
    }
    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

public static void main(String[] args) {
        // 重复调用Singletion类的getInstance方法
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
        System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

2.3 枚举方式

枚举类实现单例模式是极力推荐的单例实现模式，因为枚举类型是线程安全的，并且只会加载一次，枚举类型是所用单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式。

/*
* 枚举方式
* 枚举方式属于恶汉式方式
**/
public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

public static void main(String[] args) {
    // 重复调用Singletion枚举类的INSTANCE
    Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;
    Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
    System.out.println(instance1 == instance2);
}

三、懒汉式

3.1 线程不安全方式

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，当调用getInstance()方法获取Singleton类的对象的时候才创建Singleton类的对象，这样就实现了懒加载的效果。但是，在多线程环境，出现线程安全问题。

/**
 * 线程不安全
 */ 
public class Singleton {
    // 私有的构造方法
    private Singleton(){}
    // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰
    private static Singleton instance;//null
    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象
        // 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可
        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

public static void main(String[] args) {
        // 重复调用Singletion类的getInstance方法
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
        System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

3.2 线程安全方式

该方式也实现了懒加载效果，同时又解决了线程安全问题。但是在getInstance()方法上添加了synchronized关键字，导致该方法的执行效果特别低。在初始化instance的时候才会出现线程安全问题，一旦初始化完成就不存在该问题了。

/**
 * 线程安全
 */ 
public class Singleton {
    // 私有的构造方法
    private Singleton(){}
    // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰
    private static Singleton instance;//null
    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        // 判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象
        // 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可
        if(instance == null){
            // 加锁前，线程1、2都进入到该位置，此时就会出现创建多个对象的情况
            // 加锁后，线程1进入，线程2会在外面等待线程1运行完毕，释放锁后才继续执行
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

public static void main(String[] args) {
        // 重复调用Singletion类的getInstance方法
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
        System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

3.3 双重检查锁方式

该方式对懒汉模式中加锁的问题做出变化，对于 getInstance() 方法来说，绝大部分的操作都是读操作，读操作是线程安全的，所以没必让每个线程必须持有锁才能调用该方法，我们需要调整加锁的时机。

在多线程的情况下，可能会出现空指针问题，出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。要解决双重检查锁模式带来空指针异常的问题，只需要使用 volatile 关键字, volatile 关键字可以保证可见性和有序性。

/*
* 双重检查锁
* 添加 volatile关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例
* 实现模式，能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题
**/
public class Singleton {
    // 私有的构造方法
    private Singleton(){}
    // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰
    private static volatile Singleton instance;//null
    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次判断，判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象，不需要抢占锁
        // 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可，读操作直接返回，没有加锁
        if(instance == null){
            // 第二次判断，写操作需要加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

public static void main(String[] args) {
        // 重复调用Singletion类的getInstance方法
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
        System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

3.4 静态内部类方式

该方式的实例由内部类创建，由于 JVM 在加载外部类的过程中，是不会加载静态内部类的，只有内部类的属性/方法被调用时才会被加载，并初始化其静态属性。静态属性由于被 static 修饰，保证只被实例化一次，并且严格保证实例化顺序。

静态内部类方式在没有加任何锁的情况下，保证线程安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。

/*
* 静态内部类方式
* 第一次加载Singleton类时不会去初始化INSTANCE，只有第一次调用getInstance，虚拟机加载SingletonHolder并初始化INSTANCE，这样不仅能确保线程安全，也能保证 Singleton 类的唯一性。
**/
public class Singleton {
    // 私有的构造方法
    private Singleton(){}
    //定义一个静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 内部类直接调用对象
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

public static void main(String[] args) {
        // 重复调用Singletion类的getInstance方法
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
        System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

四、破坏单例模式

4.1 序列化破坏

代码运行结果是false，表明序列化和反序列化已经破坏了单例设计模式。

对象里面的值是一样的，只不过对象的引用不一样，相当于是两个对象，涉及到了深拷贝

/**
 * 静态内部类方式的单列模式
 */
public class Singleton implements Serializable {
    // 私有的构造方法
    private Singleton(){}
    //定义一个静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 内部类直接调用对象
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
//        writeObjectToFile();
        Singleton s1 = readObjectFromFile();
        Singleton s2 = readObjectFromFile();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
    // 使用序列化向文件中写数据（对象）
    private static void writeObjectToFile() throws IOException {
        // 获取Singleton对象
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        // 创建对象输出流对象
        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\a.txt"));
        // 将对象写入
        objectOutputStream.writeObject(instance);
        // 释放资源
        objectOutputStream.close();
    }
    // 使用反序列化读取文件的数据（对象）
    private static Singleton readObjectFromFile() throws Exception {
        // 创建对象输入流对象
        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\a.txt"));
        // 读取对象
        Singleton instance = (Singleton) objectInputStream.readObject();
        System.out.println(instance);
        // 释放资源
        objectInputStream.close();
        return instance;
    }
}

4.2 序列化破坏解决办法

想要解决序列化、反序列化对单例模式的破坏，我们需要在Singleton类中添加readResolve()方法，在其被反序列化时调用，返回这个方法的值（对象）。原理是在输入流对象的readObject方法的底层实现中，如果发现输入的是对象类型，则会调用readOrdinaryObject方法，该方法中会自动执行hasReadResolveMethod方法，来判断类中是否有readResolve方法，如果有，则会去执行invokeReadResolve方法来获取类中专门提供的实例，从而解决反序列化破坏单例模式的问题。

// 当进行反序列化时，会自动调用该方法，将该方法的返回值直接返回
public Object readResolve(){
    return SingletonHolder.INSTANCE;
}

4.3 反射破坏

代码运行结果是false，表明反射已经破坏了单例设计模式。

/**
 * 静态内部类方式的单列模式
 */
public class Singleton implements Serializable {
    // 私有的构造方法
    private Singleton(){}
    //定义一个静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 内部类直接调用对象
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取Singleton字节码对象
        Class<Singleton> singletonClass = Singleton.class;
        // 获取无参构造方法对象
        Constructor<Singleton> declaredConstructor = singletonClass.getDeclaredConstructor();
        // 取消访问检查
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        // 创建Singleton对象
        Singleton s1 = (Singleton) declaredConstructor.newInstance();
        Singleton s2 = (Singleton) declaredConstructor.newInstance();
        // 结果返回false，说明反射破坏了单例模式
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

4.4 反射破坏解决办法

当通过反射方式调用构造方法进行创建创建时，直接抛异常。不运行此次操作。

/**
 * 静态内部类方式的单列模式
 */
public class Singleton {
    // 定义一个flag判断是否已经创建过对象
    private static boolean flag = false;
    // 给私有构造方法添加锁，预防线程安全问题
    private Singleton(){
        synchronized(Singleton.class){
            // flag为false则跳过，直接正常创建，若flag为true，说明已经创建过，抛出异常
            if(flag){
                throw new RuntimeException("不能创建多个对象");
            }
            // 第一次创建后，应该将flag设置为true
            flag = true;
        }
    }
    //定义一个静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 内部类直接调用对象
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

记录每一个学习瞬间