设计模式-单例模式Singleton

中二Espresso2023-09-03 1:08

单例模式

单例模式 (Singleton) (重点)

一个类只允许创建一个对象（或者实例），那这个类就是一个单例类

1) 为什么要使用单例

1.表示全局唯一

如果有些数据在系统中应该且只能保存一份，那就应该设计为单例类:

  • 配置类：在系统中，我们只有一个配置文件，当配置文件被加载到内存之后，应该被映射为一个唯一的【配置实例】
  • 全局计数器：我们使用一个全局的计数器进行数据统计、生成全局递增ID等功能。若计数器不唯一，很有可能产生统计无效，ID重复等

2.处理资源访问冲突

如果使用单个实例输出日志，锁【this】即可。

如果要保证JVM级别防止日志文件访问冲突，锁【class】即可。

如果要保证集群服务级别的防止日志文件访问冲突，加分布式锁即可

2) 如何实现一个单例

常见的单例设计模式，有如下五种写法，在编写单例代码的时候要注意以下几点:

  • 1.构造器需要私有化
  • 2.暴露一个公共的获取单例对象的接口
  • 3.是否支持懒加载（延迟加载）
  • 4.是否线程安全

2.a) 饿汉式

在类加载的时候，instance 静态实例就已经创建并初始化好了，所以，instance 实例的创建过程是线程安全的

java 复制代码 
/**
 * 饿汉式单例的实现
 *  - 不支持懒加载
 *  - jvm保证线程安全
 */
public class EagerSingleton {

    /**
     * 当启动程序的时候，就创建这个实例
     */

    // 1.持有一个jvm全局唯一的实例
    private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

    // 2.为了避免别人随意的创建，需要私有化构造器
    private EagerSingleton() {
    }

    // 3.暴露一个方法，用来获取实例
    public static EagerSingleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

2.b) 懒汉式

懒汉式相对于饿汉式的优势是支持延迟加载，具体的代码实现如下所示：

支持延迟加载

java 复制代码 
/**
 * 懒汉式单例的实现
 *  - 支持懒加载
 */
public class LazySingleton {
    
    /**
     * 当需要使用这个实例的时候，再创建这个实例
     */

    // 1.持有一个jvm全局唯一的实例
    private static LazySingleton instance;

    // 2.为了避免别人随意的创建，需要私有化构造器
    private LazySingleton() {
    }

    // 3.暴露一个方法，用来获取实例
    // - 懒加载-线程不安全，因为当面对大量并发请求时，有可能会有超过一个线程同时执行此方法，是无法保证其单例的特点
    // - 加锁：使用 synchronized，(对.class加锁) 但是方法上加锁会极大的降低获取单例对象的并发度
    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

2.c) 双重检查锁

饿汉式不支持延迟加载，懒汉式有性能问题，不支持高并发。既支持延迟加载、又支持高并发的单例实现方式，也就是双重检测锁：

java 复制代码 
/**
 * 双重检查锁单例的实现
 */
public class DoubleCheckLockSingleton {

    // 1.持有一个jvm全局唯一的实例
    // - 因为创建对象不是一个原子性操作，即使使用双重检查锁，也可能在创建过程中产生半初始化状态
    // - volatile 1.保证内存可见 2.保存有序性
    // - jdk1.9以上，不加volatile也可以，jvm内部处理有序性
    private static volatile DoubleCheckLockSingleton instance;

    // 2.为了避免别人随意的创建，需要私有化构造器
    private DoubleCheckLockSingleton() {
    }

    // 3.暴露一个方法，用来获取实例
    // - 第一次创建需要上锁，一旦创建完成，就不再需要上锁
    // - 事实上获取单例并没有线程安全的问题
    public static DoubleCheckLockSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (DoubleCheckLockSingleton.class) {
                // 创建
                if (instance == null) {
                    instance = new DoubleCheckLockSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

2.d) 静态内部类

比双重检测更加简单的实现方法，那就是利用 Java 的静态内部类。它有点类似饿汉式，但又能做到了延迟加载。

当外部类 InnerSingleton()被加载的时候，并不会创建 InnerSingleton的实例对象。只有当调用 getInstance() 方法时，InnerSingletonHolder 才会被加载，这个时候才会创建 instance实例。

java 复制代码 
/**
 * 静态内部类的方式实现单例
 */
public class InnerSingleton {

    // 1.私有化构造器
    private InnerSingleton() {
    }

    // 2.提供一个方法，获取单例对象
    public InnerSingleton getInstance() {
        return InnerSingletonHolder.instance;
    }

    // 3.定义内部类，来持有实例
    // - 特性：类加载的时机 --> 一个类会在第一次使用的时候被加载
    // - 实例会在内部类加载（调用getInstance()方法之后）会创建
    private static class InnerSingletonHolder {
        private static final InnerSingleton instance = new InnerSingleton();
    }

}

2.e) 枚举类

基于枚举类型的单例实现。这种实现方式通过 Java 枚举类型本身的特性，保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性。

java 复制代码 
/**
 * 枚举：累加器
 */
public enum GlobalCounter {

    // 这个INSTANCE是一个单例
    // 对于枚举类。任何一个枚举项就是一个单例
    // 本质上就是 static final GlobalCounter instance = new GlobalCounter()
    INSTANCE;
    private AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(0);

    public Long getNumber() {
        return atomicLong.getAndIncrement();
    }
}

2.f) 反射入侵

事实上，我们想要阻止其他人构造实例 仅仅私有化构造器还是不够的，因为我们还可以使用反射获取私有构造器进行构造，当然使用枚举的方式是可以解决这个问题的，对于其他的书写方案，我们通过下边的方式解决：

java 复制代码 
// 反射代码
Class<DoubleCheckLockSingleton> instance = DoubleCheckLockSingleton.class;
Constructor<DoubleCheckLockSingleton> constructor = instance.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);

boolean flag = DoubleCheckLockSingleton.getInstance() == constructor.newInstance();
log.info("flag -> {}",flag);
java 复制代码 
/**
 * 单例的防止反射入侵的代码实现
 */
public class ReflectSingleton {

    /**
     * 可以使用反射获取私有构造器进行构造
     */
    
    private static volatile ReflectSingleton instance;

    // 为了避免别人随意的创建，需要私有化构造器
    private ReflectSingleton() {
        // 升级版本 --> 不要让人使用反射创建
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("该对象是单例，无法创建多个");
        }
    }

    public static ReflectSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (ReflectSingleton.class) {
                // 创建
                if (instance == null) {
                    instance = new ReflectSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

2.g) 序列化与反序列化安全

事实上，到目前为止，我们的单例依然是有漏洞的

java 复制代码 
/**
 * 通过序列化
 */
@Test
public void testSerialize() throws Exception {
    // 获取单例并序列化
    SerializableSingleton instance = SerializableSingleton.getInstance();
    FileOutputStream fout = new FileOutputStream("F://singleton.txt");
    ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(fout);
    out.writeObject(instance);
    // 将实例反序列化出来
    FileInputStream fin = new FileInputStream("F://singleton.txt");
    ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(fin);
    Object o = in.readObject();
    log.info("是同一个实例吗 {}", o == instance); // 是同一个实例吗 false
}

在进行反序列化时，会尝试执行readResolve方法，并将返回值作为反序列化的结果，而不会克隆一个新的实例，保证jvm中仅仅有一个实例存在

java 复制代码 
public class Singleton implements Serializable {
    // 省略其他的内容
    public static Singleton getInstance() {
    }
    // 需要加这么一个方法
    public Object readResolve(){
    	return singleton;
    }
}

3) 单例存在的问题

在项目中使用单例，都是用它来表示一些全局唯一类，比如配置信息类、连接池类、ID 生成器类。单例模式书写简洁、使用方便，在代码中，我们不需要创建对象。但是，这种使用方法有点类似硬编码（hard code），会带来诸多问题，所以我们一般会使用spring的单例容器作为替代方案。

3.a) 无法支持面向对象编程

OOP 的三大特性是封装、继承、多态 。单例将构造私有化，直接导致的结果就是，他无法成为其他类的父类，这就相当于直接放弃了继承和多态的特性，也就相当于损失了可以应对未来需求变化的扩展性，以后一旦有扩展需求，比如写一个类似的具有绝大部分相同功能的单例，我们不得不新建一个十分【雷同】的单例。

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