DesignPattern系列__10单例模式
2019-08-07 19:31
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单例模式介绍
单例模式，是为了确保在整个软件体统中，某个类对象只有一个实例，并且该类通常会提供一个对外获取该实例的public方法(静态方法)。
比如日志、数据库连接池等对象，通常需要且只需要一个实例对象，这就会使用单例模式。
单例模式的八种模式
- 饿汉式(静态常量)
- 饿汉式(静态代码块)
- 懒汉式(线程不安全)
- 懒汉式(同步方法)
- 懒汉式(同步代码块)
- 懒汉式(双重检查)
- 静态内部类
- 枚举
下面依次来说明一下：
饿汉式(静态常量)
通常，我们创建一个对象的方式就是new，但是，当我们考虑只创建一个实例的时候，就应该禁止外部来通过new的方式进行创建。同时，由于无法使用new，你应该考虑提供一个获取单例对象的方式给别人。
思路
1.将构造器私有化(防止外部new，但是对反射还是有局限)
2.类的内部创建对象
3.对外提供一个获取实例静态的public方法
代码实现：
public class Singleton1 {
public static void main(String[] args) {
HungrySingleton hungrySingleton = HungrySingleton.getInstance();
HungrySingleton hungrySingleton1 = HungrySingleton.getInstance();
System.out.println(hungrySingleton == hungrySingleton1);
}
}
class HungrySingleton {
//1.私有化构造器
private HungrySingleton() {
}
// 2.类内部创建对象，因为步骤3是static的，
// 所以实例对象是static的
private final static HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
//3.对外提供一个获取对象的方法，
// 因为调用方式的目的就是为了获取对象，
// 所以该方法应该是static的。
public static HungrySingleton getInstance() {
return instance;
}
}
运行程序显示，我们的确只创建了一个对象实例。
小结
优点：代码实现比较简单，在类加载的时候就完成了实例化，同时，该方式能够避免线程安全问题。
缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。
这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题，不过， instance在类装载时就实例化，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法， 但是导致类装载的原因有很多种， 因此不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化instance就没有达到lazy loading的效果。
总结：这种单例模式可以使用，但是可能造成内存的浪费。
饿汉式(静态代码块)
该方式和第一种区别不大，只是将创建实例放在了静态代码块中。
由于无法使用new，你应该考虑提供一个获取单例对象的方式给别人。
思路
1.将构造器私有化(防止外部new，但是对反射还是有局限)
2.类的内部创建对象(通过静态代码块)
3.对外提供一个获取实例静态的public方法
代码实现：
public class Singleton2 {
public static void main(String[] args) {
HungrySingleton hungrySingleton = HungrySingleton.getInstance();
HungrySingleton hungrySingleton1 = HungrySingleton.getInstance();
System.out.println(hungrySingleton == hungrySingleton1);
}
}
class HungrySingleton {
//1.私有化构造器
private HungrySingleton() {
}
// 2.类内部创建对象，因为步骤3是static的，
// 所以实例对象是static的
private final static HungrySingleton instance;
static {
instance = new HungrySingleton();
}
//3.对外提供一个获取对象的方法，
// 因为调用方式的目的就是为了获取对象，
// 所以该方法应该是static的。
public static HungrySingleton getInstance() {
return instance;
}
}
小结
该方式只是将对象的创建放在静态代码块中，其优点和缺点与第一种方式完全一样。
总结：这种单例模式可以使用，但是可能造成内存的浪费。(同第一种)
懒汉式(线程不安全)
该方式的主要思想就是为了改善饿汉式的缺点，通过懒加载(在使用的时候再去加载)，达到节约内存的目的。
由于无法使用new，你应该考虑提供一个获取单例对象的方式给别人。
思路
1.将构造器私有化(防止外部new，但是对反射还是有局限)
2.类的内部创建对象，懒加载，在使用的时候才去加载
3.对外提供一个获取实例静态的public方法
代码实现：
public class Singleton3 {
public static void main(String[] args) {
TestThread testThread = new TestThread();
Thread thread = new Thread(testThread);
Thread thread1 = new Thread(testThread);
thread.start();
thread1.start();
}
}
class LazySingleton {
//1.私有化构造器
private LazySingleton() {}
//2.类的内部声明对象
private volatile static LazySingleton instance;
//3.对外提供获取对象的方法
public static LazySingleton getInstance() {
//判断类是否被初始化
if (instance == null) {
//第一次使用的时候，创建对象
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}
class TestThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
try {
//为了演示多线程情况
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "初始化对象" + instance.hashCode());
}
}
执行程序后，发现了问题：
//运行结果： 线程Thread-0开始执行 线程Thread-1开始执行 线程Thread-1初始化对象1391273746 线程Thread-0初始化对象547686109
小结
优点：起到了懒加载的作用，但是只能在单线程情况下使用。
缺点：多线程下不安全，如果一个线程进入到if语句中阻滞(还未开始创建对象)，另一线程进入并通过了if判断，则会创建多个实例，这一点就违背了单例的目的。
结论：实际情况下，不要使用这种方式。
懒汉式(线程安全，同步方法)
思路
同上一中方式一样，但是为了解决多线程安全问题，使用同步方法。
代码演示：
public class Singleton4 {
public static void main(String[] args) {
TestThread testThread = new TestThread();
Thread thread = new Thread(testThread);
Thread thread1 = new Thread(testThread);
thread.start();
thread1.start();
}
}
class LazySingleton {
//1.私有化构造器
private LazySingleton() {}
//2.类的内部声明对象
private volatile static LazySingleton instance;
//3.对外提供获取对象的方法
public synchronized static LazySingleton getInstance() {
//判断类是否被初始化
if (instance == null) {
//第一次使用的时候，创建对象
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}
class TestThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
try {
//为了演示多线程情况
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "初始化对象" + instance.hashCode());
}
}
运行结果如下所示：
线程Thread-1开始执行 线程Thread-0开始执行 线程Thread-0初始化对象681022576 线程Thread-1初始化对象681022576
小结
优点：起到了懒加载的效果，同时，解决了线程安全问题。
缺点：效率低下，每次想要获取对象的时候，去执行getInstance()都是通过同步方法。而且，初始化对象后，再次使用的时候，应该直接return这个对象。
总结：可以在多线程条件下使用，但是效率低下，不推荐。
懒汉式(线程安全，同步代码块)
思路
同样是为了解决多线程安全问题，不过采用的是同步代码块。首先，最先想到的是：
1.将getInstance()方法体全部加上同步锁。
代码实现：
public class Singleton5 {
public static void main(String[] args) {
TestThread testThread = new TestThread();
Thread thread = new Thread(testThread);
Thread thread1 = new Thread(testThread);
thread.start();
thread1.start();
}
}
//对getInstance()的方法体整体加同步代码块
class LazySingleton {
//1.私有化构造器
private LazySingleton() {}
//2.类的内部声明对象
private volatile static LazySingleton instance;
//3.对外提供获取对象的方法
public static LazySingleton getInstance() {
//同步代码块
synchronized (LazySingleton.class) {
//判断类是否被初始化
if (instance == null) {
//第一次使用的时候，创建对象
instance = new LazySingleton();
}
}
return instance;
}
}
class TestThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
try {
//为了演示多线程情况
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
// LazySingleton1 instance = LazySingleton1.getInstance();
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "初始化对象" + instance.hashCode());
}
}
运行的结果：
线程Thread-0开始执行 线程Thread-1开始执行 线程Thread-1初始化对象1419349448 线程Thread-0初始化对象1419349448
这种方式的优缺点和同步方法一样，能够实现多线程安全，但是效率低下。那么，能不能提高一下效率呢？我们发现，每次调用getInstance()的时候，都要进入同步代码块，但是，一旦对象初始化后，第二次使用的时候，应该能够直接获取这个对象才对。
按照这个思路，对代码进行更改(为了说明这个，新建一个类LazySingleton1)：
2.只在初始化对象部分加上同步锁
代码实现：
//为了提高效率，通过if判断，初始化之前进入同步锁
class LazySingleton1 {
//1.私有化构造器
private LazySingleton1() {}
//2.类的内部声明对象
private volatile static LazySingleton1 instance;
//3.对外提供获取对象的方法
public static LazySingleton1 getInstance() {
//判断类是否被初始化
if (instance == null) {
//第一次使用的时候，创建对象
synchronized (LazySingleton1.class) {
instance = new LazySingleton1();
}
}
return instance;
}
将类TestClass的run()方法进行更改，获取的实例改为LazySingleton1类型。代码看上去没有问题，那么运行效果如何呢：
//运行结果： 线程Thread-1开始执行 线程Thread-0开始执行 线程Thread-1初始化对象1368942806 线程Thread-0初始化对象1187311731
那么，我们发现，打脸了，多线程情况下，创建了两个对象，并未达到单例的目的。
小结
- 对整个方法体加同步代码块
可以达到要求，优缺点同同步方法。 - 只在初始化对象的代码添加同步锁
不能满足线程安全要求，实际工作中，不能使用这种方式。
懒汉式(线程安全，双重检查机制)
思路
针对懒汉式的多线程问题，我们可谓是操碎了心：同步方法可以解决问题，但是效率太低了；同步代码块则根本不能保证多线程安全。如何能做到“鱼和熊掌兼得”呢？既然同步代码块的效率较好，那么我们就针对这个方式进行改良：双重检查机制，即在getInstance()内进行两次检查，第一次通过if判断后，初始化对象之前，进行同步并再次进行判断。这样做的目的：既能解决线程安全问题，同时避免第二次使用对象的时候还要执行同步的代码。
代码实现：
public class Singleton6 {
public static void main(String[] args) {
TestThread testThread = new TestThread();
Thread thread = new Thread(testThread);
Thread thread1 = new Thread(testThread);
thread.start();
thread1.start();
}
}
class LazyDoubleCheckSingleton {
//1.私有化构造器
private LazyDoubleCheckSingleton() {}
//2.类的内部声明对象
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance;
//3.对外提供获取对象的方法
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
//判断类是否被初始化
if (instance == null) {
//第一次使用，通过if判断
//加锁
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
//拿到锁后，初始化对象之前，再次进行判断
if (instance == null) {
instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return instance;
}
}
class TestThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
try {
//为了演示多线程情况
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
LazyDoubleCheckSingleton instance = LazyDoubleCheckSingleton.getInstance();
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "初始化对象" + instance.hashCode());
}
}
运行结果如下所示：
//运行结果： 线程Thread-0开始执行 线程Thread-1开始执行 线程Thread-1初始化对象996963733 线程Thread-0初始化对象996963733
小结
优点：
- 解决了上一种方式中的线程安全问题，同时实现了延迟加载的效果，节约内存；
- 第二次使用的时候，if判断为false，直接返回创建好的对象，避免进入同步代码，提高了效率；
结论：推荐使用这种方式，实际工作中也比较常见这种方式。
静态内部类
思路
为了实现多线程情况下安全，除了手工加锁，还有别的方式。现在，我们采用静态内部类的方式。这种方式利用了JVM加载类的机制来保证只初始化一个对象。
思路同样是私有化构造器，对外提供静态的公开方法；不同之处是，类的创建交给静态内部类来时实现。
代码实现
public class Singleton7 {
public static void main(String[] args) {
TestThread testThread = new TestThread();
Thread thread = new Thread(testThread);
Thread thread1 = new Thread(testThread);
thread.start();
thread1.start();
}
}
class StaticInnerSingleton {
// 1.构造器私有化
private StaticInnerSingleton() {}
// 2.通过静态内部类来初始化对象
private static class InnerClass {
private static final StaticInnerSingleton INSTANCE = new StaticInnerSingleton();
}
// 3.对外提供获取对象的方法
public static StaticInnerSingleton getInstance() {
return InnerClass.INSTANCE;
}
}
class TestThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
try {
//为了演示多线程情况
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
StaticInnerSingleton instance = StaticInnerSingleton.getInstance();
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "初始化对象" + instance.hashCode());
}
}
运行结果：
线程Thread-0开始执行 线程Thread-1开始执行 线程Thread-0初始化对象1326533480 线程Thread-1初始化对象1326533480
OK，我们发现，这种方式达到了预期的效果。
小结
优点：
- 这种静态内部类的方式，通过类加载机制来保证了初始化实例时只有一个实例。
- 类的静态属性只有在第一次加载类的时候初始化，而JVM能保证线程安全，在类的初始化过程中，只有一个线程能进入并完成初始化。
- 静态内部类方式实现了懒加载的效果，这种方式不会在类StaticInnerSingleton加载的时候进行初始化，而是在第一次使用时调用getInstance()方法初始化，能够起到节约内次的目的。
- 该方式的getInstance()方法，通过调用静态内部类的静态属性返回实例对象，避免了每次调用时进行同步，效率高。
结论：线程安全，效率高，代码实现简单，推荐使用。
枚举
思路
在静态内部类的方式中，我们借用了JVM的类加载机制来实现了功能，同样，还可以借用Java的枚举来实现单例模式。
public class Singleton8 {
public static void main(String[] args) {
TestThread testThread = new TestThread();
Thread thread = new Thread(testThread);
Thread thread1 = new Thread(testThread);
thread.start();
thread1.start();
}
}
enum EnumSingleton {
INSTANCE;
public void sayHi() {
System.out.println("Hi, " + INSTANCE);
}
}
class TestThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
try {
//为了演示多线程情况
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
EnumSingleton instance = EnumSingleton.INSTANCE;
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "初始化对象" + instance.hashCode());
}
}
运行结果如下：
线程Thread-0开始执行 线程Thread-1开始执行 线程Thread-1初始化对象1134798663 线程Thread-0初始化对象1134798663
小结
优点：这中方式需要在JDK1.5以上的版本中使用，利用枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。在《Effective Java》中提到了这种方式，其作者推荐。
结论：推荐使用。
单例模式的序列化漏洞
在上面的枚举类的总结中，我们提高枚举方式能够避免反序列化对象的时候重新建立新的对象(反序列化漏洞)，那么什么是反序列化漏洞呢？Java对象进行反序列化的时候会通过反射机制来创建实例，反射机制的存在使得我们可以越过Java本身的静态检查和类型约束，在运行期直接访问和修改目标对象的属性和状态。这里理解的不是很准确，有错误的话请指出。
代码演示：
public class Test {
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
// HungrySingleton instance = HungrySingleton.getInstance();
// //序列化
// ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("serializable_singleton"));
// oos.writeObject(instance);
//
// //反序列化
// ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("serializable_singleton"));
// HungrySingleton newInstance = (HungrySingleton) ois.readObject();
LazyDoubleCheckSingleton instance = LazyDoubleCheckSingleton.getInstance();
//序列化
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("serializable_singleton"));
oos.writeObject(instance);
//反序列化
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("serializable_singleton"));
LazyDoubleCheckSingleton newInstance = (LazyDoubleCheckSingleton) ois.readObject();
System.out.println(instance);
System.out.println(newInstance);
System.out.println(instance == newInstance);
}
}
class HungrySingleton implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = -4913346286867374832L;
//1.私有化构造器
private HungrySingleton() {
}
// 2.类内部创建对象，因为步骤3是static的，
// 所以实例对象是static的
private final static HungrySingleton instance;
static {
instance = new HungrySingleton();
}
//3.对外提供一个获取对象的方法，
// 因为调用方式的目的就是为了获取对象，
// 所以该方法应该是static的。
public static HungrySingleton getInstance() {
return instance;
}
//解决单例模式的反序列化漏洞
// public Object readResolve() {
// return instance;
// }
}
class LazyDoubleCheckSingleton implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = -8459475238793042042L;
//1.私有化构造器
private LazyDoubleCheckSingleton() {}
//2.类的内部声明对象
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance;
//3.对外提供获取对象的方法
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
//判断类是否被初始化
if (instance == null) {
//第一次使用，通过if判断
//加锁
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
//拿到锁后，初始化对象之前，再次进行判断
if (instance == null) {
instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return instance;
}
// public Object readResolve() {
// return instance;
// }
}
这里，我们分别提供了懒汉式和饿汉式(双重检查)来验证这个现象。运行后会报错，实现Serializable接口后能够正常运行，结果如下：
com.bm.desginpattern.pattern.creational.singleton.serialization.LazyDoubleCheckSingleton@7f31245a com.bm.desginpattern.pattern.creational.singleton.serialization.LazyDoubleCheckSingleton@6d03e736 false
创建了两个对象，没有实现多线程安全。首先说明一下解决方案，然后再讲解一下原理。我们发现饿汉式还是懒汉式都新增了一个方法readResolve()，将注释取消后，再次运行的结果如下：
com.bm.desginpattern.pattern.creational.singleton.serialization.LazyDoubleCheckSingleton@7f31245a com.bm.desginpattern.pattern.creational.singleton.serialization.LazyDoubleCheckSingleton@7f31245a true
奇迹出现了，只是增加一个方法，情况完全不同了。那么背后的原理是什么呢？我们通过debug来讲解：
1.在23行打一个断点，进入并进入该方法：
2.我们发现，该方法首先是进行一些判断，然后执行readObject0()方法，进入该方法查看：
//该方法完成代码
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
boolean oldMode = bin.getBlockDataMode();
if (oldMode) {
int remain = bin.currentBlockRemaining();
if (remain > 0) {
throw new OptionalDataException(remain);
} else if (defaultDataEnd) {
/*
* Fix for 4360508: stream is currently at the end of a field
* value block written via default serialization; since there
* is no terminating TC_ENDBLOCKDATA tag, simulate
* end-of-custom-data behavior explicitly.
*/
throw new OptionalDataException(true);
}
bin.setBlockDataMode(false);
}
byte tc;
while ((tc = bin.peekByte()) == TC_RESET) {
bin.readByte();
handleReset();
}
depth++;
totalObjectRefs++;
try {
switch (tc) {
case TC_NULL:
return readNull();
case TC_REFERENCE:
return readHandle(unshared);
case TC_CLASS:
return readClass(unshared);
case TC_CLASSDESC:
case TC_PROXYCLASSDESC:
return readClassDesc(unshared);
case TC_STRING:
case TC_LONGSTRING:
return checkResolve(readString(unshared));
case TC_ARRAY:
return checkResolve(readArray(unshared));
case TC_ENUM:
return checkResolve(readEnum(unshared));
case TC_OBJECT:
return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));
case TC_EXCEPTION:
IOException ex = readFatalException();
throw new WriteAbortedException("writing aborted", ex);
case TC_BLOCKDATA:
case TC_BLOCKDATALONG:
if (oldMode) {
bin.setBlockDataMode(true);
bin.peek(); // force header read
throw new OptionalDataException(
bin.currentBlockRemaining());
} else {
throw new StreamCorruptedException(
"unexpected block data");
}
case TC_ENDBLOCKDATA:
if (oldMode) {
throw new OptionalDataException(true);
} else {
throw new StreamCorruptedException(
"unexpected end of block data");
}
default:
throw new StreamCorruptedException(
String.format("invalid type code: %02X", tc));
}
} finally {
depth--;
bin.setBlockDataMode(oldMode);
}
}
我们发现，该方法还是对传入的对象进行一些判断，在这里，我们匹配到TC_OBJECT，执行对应的方法。
3.进入该方法：
4.进一步查看：
我们看到一个名为resolveEx的属性，说明很接近了。
5.继续往下调试：
我们发现，这三个条件都满足，因为我们在LazyDoubleCheckSingleton类中定义了readResolve()方法。
6.if判断通过，进入到下一个方法：
7.在该方法中，我们发现经过一些条件判断后，通过反射方式来调用我们在类LazyDoubleCheckSingleton中新定义的方法readResolve():
- 如果我们没有新增这个方法，反射的时候会新建一个LazyDoubleCheckSingleton对象，并将其返回；
当我们新增这个readResolve()的时候，反射的时候还是会创建一个新的对象，但是，返回的是我们在readResolve()中的定义的返回对象。从而达到了多线程安全的目的。
单例模式的反射
未完待续
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