Java设计模式之五种单例模式

一、设计模式分类

将设计者的思维融入大家的学习和工作中，思维和思考方式的转变，重要的是学习思维和思考的方式。

GOF23种设计模式，全称是Group Of Four 23中设计模式。

1.1 创建型模式

创建型模式主要是用来帮助人们创建对象，具体包括以下几种：单例模式、工厂模式、抽象工厂模式、建造者模式、原型模式

1.2 结构型模式

核心作用：是从程序的结构上实现松耦合，从而可以扩大整体的类结构，用来解决更大的问题。

适配器模式、代理模式、桥接模式、装饰模式、组合模式、外观模式、享元模式

1.3 行为型模式

行为型模式关注系统中对象之间的相互交互，研究系统在运行的对象之间的相互通信和协作，进一步明确对象的职责，共有11种模式。

模板方法模式、命令模式、迭代器模式、观察者模式、中介者模式、备忘录模式、解释器模式、状态模式、策略模式、职责链模式、访问者模式

二、五种单例模式

核心作用：

保证一个类只有一个实例，并且提供一个访问该实例的全局访问点。
常见应用场景：

1) Windows的Task Manager(任务管理器)就是很典型的单例模式；

2) Windows的Recycle Bin(回收站)也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。

3) 项目中，读取配置文件的类，一般也只有一个对象。没有必要每次使用配置文件数据，每次new一个对象去读取。

4) 网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。

5) 应用程序的日志应用，一般都可用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。

6) 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。

7) 操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。

8) Application也是单例的典型应用(Servlet编程中会涉及到)。

9) 在Spring中，每个Bean默认就是单例的，这样做的优点是Spring容器可以管理。

10) 在Servlet编程中，每个Servlet也是单例。

11) 在Sping MVC框架/Struts1框架中，控制器对象也是单例。

单例模式的优点：

1)      由于单例模式只生成一个实例，减少了系统性能开销，但一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式解决。

2)      单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

Java中常见的五种单例模式实现方式：
1) 主要：
饿汉式(线程安全，调用效率高。但是，不能延时加载。)
懒汉式(线程安全，调用效率不高。但是，可以延时加载。)

2) 其他
双重检测锁式(由于JVM底层内部模型原因，偶尔会出问题。不建议使用)
静态内部类式(线程安全，调用效率高。但是，可以延时加载)
枚举单例(线程安全，调用效率高，不能延时加载，可以天然防止反射和序列化漏洞)

2.1 饿汉式单例模式源码

package com.bjsxt.singleton;

/**
* 测试饿汉式单例模式
*/
public class SingletonDemo1 {

//类初始化时，立即加载这个对象（没有延时加载的优势）。
//加载类时，天然是线程安全的！
private static SingletonDemo1 instance = new SingletonDemo1();

private SingletonDemo1(){
}

//方法没有同步，调用效率高！
public static SingletonDemo1 getInstance(){
return instance;
}

}

饿汉式单例模式中，static变量会在类装载时初始化，此时也不会涉及多个线程对象访问该对象的问题。虚拟机保证只会装载一个该类，肯定不会发生并发访问问题。因此，可以省略synchronized关键字。

 

问题：如果只是加载本类，而不是要调用getInstance()，甚至永远没有调用，则会造成资源浪费！

2.2 懒汉式单例源码

package com.bjsxt.singleton;

/**
* 测试懒汉式单例模式
*/
public class SingletonDemo2 implements Serializable {

//类初始化时，不初始化这个对象（延时加载，真正用的时候再创建）。
private static SingletonDemo2 instance;

private SingletonDemo2(){ //私有化构造器
}

//方法同步，调用效率低！
public static synchronized SingletonDemo2 getInstance(){
if(instance==null){
instance = new SingletonDemo2();
}
return instance;
}

}
懒汉式实现(单例对象延迟加载)：

要点：Lazy load! 延时加载，懒加载！真正用的时候才加载！

问题：资源利用效率高了。但是，每次调用getInstance()方法都要同步，并发效率比较低。

2.3 双重检测锁式单例

package com.bjsxt.singleton;

/**
* 双重检查锁实现单例模式
*/
public class SingletonDemo3 {

private static SingletonDemo3 instance = null;

public static SingletonDemo3 getInstance() {
if (instance == null) {
SingletonDemo3 sc;
synchronized (SingletonDemo3.class) {
sc = instance;
if (sc == null) {
synchronized (SingletonDemo3.class) {
if(sc == null) {
sc = new SingletonDemo3();
}
}
instance = sc;
}
}
}
return instance;
}

private SingletonDemo3() {

}

}

这个模式将同步内容下移到if内部，提高了执行的效率，不
4000
必每次获取对象时都进行同步，只有第一次才同步创建了以后就没必要了。

 

问题：

由于编译器优化原因和JVM底层内部模型原因，偶尔会出问题，不建议使用。

2.4 静态内部类实现单例

package com.bjsxt.singleton;

/**
* 测试静态内部类实现单例模式
* 这种方式：线程安全，调用效率高，并且实现了延时加载！
*/
public class SingletonDemo4 {

private static class SingletonClassInstance {
private static final SingletonDemo4 instance = new SingletonDemo4();
}

private SingletonDemo4(){
}

//方法没有同步，调用效率高！
public static SingletonDemo4 getInstance(){
return SingletonClassInstance.instance;
}

}

静态内部类实现方式(也是一种懒加载方式)；

要点：

1)      外部类没有static属性，则不会像饿汉式那样立即加载对象；

2)      只有真正调用getInstance()，才会加载静态内部类。加载类时线程是安全的，instance是static final类型，保证了内存中只有这样一个实例存在，而且只能被赋值一次，从而保证了线程安全。

兼备了并发高效调用和延迟加载的优势！

2.5 枚举类实现单例模式

package com.bjsxt.singleton;

/**
* 测试枚举式实现单例模式(没有延时加载)
* @author 尚学堂高淇 www.sxt.cn
*
*/
public enum SingletonDemo5 {

//这个枚举元素，本身就是单例对象！
INSTANCE;

//添加自己需要的操作！
public boolean singletonOperation(){
System.out.println("执行枚举中的方法。");
return true;
}

}
枚举单例测试类：
package com.bjsxt.singleton;

public class TestSingletonEnum {

public static void main(String[] args) {
System.out.println(SingletonDemo5.INSTANCE.singletonOperation());
//System.out.println(SingletonDemo5.INSTANCE == SingletonDemo5.INSTANCE);
}

}
运行结果如下：
执行枚举中的方法。

true

优点：

①实现简单

②枚举本身就是单例模式。由JVM从根本上提供保障！避免通过反射和序列化的漏洞创建新的对象！

缺点：

①无延时加载

2.6 测试五种创建单例模式的效率

测试代码如下：
package com.bjsxt.singleton;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
* 测试多线程环境下五种创建单例模式的效率
*/
public class Client3 {

public static void main(String[] args) throws Exception {

long start = System.currentTimeMillis();
int threadNum = 10;
final CountDownLatch countDownLatch
= new CountDownLatch(threadNum);

for(int i=0;i<threadNum;i++){
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {

for(int i=0;i<1000000;i++){
//下面是创建对象的代码
// Object o = SingletonDemo4.getInstance();
Object o = SingletonDemo5.INSTANCE;
}

countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}

//main线程阻塞，直到计数器变为0，才会继续往下执行！
countDownLatch.await();

long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("总耗时："+(end-start));
}
}

常见的五种单例模式在线程环境下的效率测试：

大家只要关注相对值即可。在不同的环境下不同的程序测得的值完全不一样。

单例模式种类	时间
饿汉式	22ms
懒汉式	636ms
静态内部类	28ms
枚举式	32ms
双重检测锁	65ms

 

1、CountDownLatch

同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。

①countdown()：当线程调用此方法，则计数减一(建议放在finally里执行);

②await()：调用此方法会一直阻塞当前线程，直到计数器的值为0。

 

使用myeclipse的UML插件画出类图，大家也可以使用：rational rose、metamill等。

 

如何选用？

单例对象占用资源少，不需要延时加载：枚举式好于饿汉式；

单例对象占用资源大，需要延时加载：静态内部类好于懒汉式。

 

问题：

反射可以破解上面几种(不包含枚举)方式！(可以在构造方法中手动抛出异常控制)；

反序列化可以破解上面几种方式！

可以通过定义readResolve()防止获得不同对象。反序列时，如果对象所在类定义了readResolve()，(实际是一种回调)，定义返回哪个对象。

2.7 单例模式的破解与防止破解

2.7.1 通过反射和反序列化破解单例

package com.bjsxt.singleton;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutput;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.lang.reflect.Constructor;

/**
* 测试反射和反序列化破解单例模式
*/
public class Client2 {

public static void main(String[] args) throws Exception {
SingletonDemo2 s1 = SingletonDemo2.getInstance();
SingletonDemo2 s2 = SingletonDemo2.getInstance();

System.out.println(s1);
System.out.println(s2);

//通过反射的方式直接调用私有构造器
// Class<SingletonDemo6> clazz = (Class<SingletonDemo6>) Class.forName("com.bjsxt.singleton.SingletonDemo6");
// Constructor<SingletonDemo6> c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
// c.setAccessible(true);
// SingletonDemo6 s3 = c.newInstance();
// SingletonDemo6 s4 = c.newInstance();
// System.out.println(s3);
// System.out.println(s4);

//通过反序列化的方式构造多个对象
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("d:/a.txt");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(s1);
oos.close();
fos.close();

ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("d:/a.txt"));
SingletonDemo2 s3 = (SingletonDemo2) ois.readObject();
System.out.println(s3);
}
}
运行结果(发序列化出来的对象地址与之前的不同)：
com.bjsxt.singleton.SingletonDemo2@15db9742

com.bjsxt.singleton.SingletonDemo2@15db9742

com.bjsxt.singleton.SingletonDemo2@33909752

2.7.2 防止反射和反序列化破解单例

修改后的懒汉式：

package com.bjsxt.singleton;

import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;

/**
* 测试懒汉式单例模式(如何防止反射和反序列化漏洞)
*/
public class SingletonDemo6 implements Serializable {
//类初始化时，不初始化这个对象（延时加载，真正用的时候再创建）。
private static SingletonDemo6 instance;

private SingletonDemo6(){ //私有化构造器
if(instance!=null){
throw new RuntimeException();
}
}

//方法同步，调用效率低！
public static synchronized SingletonDemo6 getInstance(){
if(instance==null){
instance = new SingletonDemo6();
}
return instance;
}

//反序列化时，如果定义了readResolve()则
//直接返回此方法指定的对象。而不需要单独再创建新对象！
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return instance;
}

}
测试类如下：

package com.bjsxt.singleton;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutput;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.lang.reflect.Constructor;

/**
* 测试反射和反序列化破解单例模式
* @author 尚学堂高淇 www.sxt.cn
*
*/
public class Client2 {

public static void main(String[] args) throws Exception {
SingletonDemo6 s1 = SingletonDemo6.getInstance();
SingletonDemo6 s2 = SingletonDemo6.getInstance();

System.out.println(s1);
System.out.println(s2);

//通过反射的方式直接调用私有构造器
//		Class<SingletonDemo6> clazz = (Class<SingletonDemo6>) Class.forName("com.bjsxt.singleton.SingletonDemo6");
//		Constructor<SingletonDemo6> c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
//		c.setAccessible(true);
//		SingletonDemo6  s3 = c.newInstance();
//		SingletonDemo6  s4 = c.newInstance();
//		System.out.println(s3);
//		System.out.println(s4);

//通过反序列化的方式构造多个对象
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("d:/a.txt");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(s1);
oos.close();
fos.close();

ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("d:/a.txt"));
SingletonDemo6 s3 =  (SingletonDemo6) ois.readObject();
System.out.println(s3);

}
}

运行结果(反序列化出来的对象地址和之前的相同)：

com.bjsxt.singleton.SingletonDemo6@15db9742

com.bjsxt.singleton.SingletonDemo6@15db9742

com.bjsxt.singleton.SingletonDemo6@15db9742