Singleton单例设计模式详解

月球程序猿2024-04-14 11:49

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模式定义

保证一个类只有一个实例，并且提供一个全局访问点

应用场景

重量级的对象，不需要多个实例，如线程池，数据库连接池

实现方式

1.懒汉模式：

延迟加载 ，只有在真正使用的时候，才开始实例化。

1）线程安全问题。

2）double check 加锁优化。

3）编译器(JIT),CPU 有可能对指令进行重排序，导致使用到尚未初始化的实例，可以通过添加volatile 关键字进行修饰，对于volatile 修饰的字段，可以防止指令重排。

java 复制代码 
public class LazySingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
//        LazySingleton instance1 = LazySingleton.getInstance();
//        LazySingleton instance2 = LazySingleton.getInstance();
//        System.out.println(instance1==instance2); //true
        new Thread(() -> {
            LazySingleton instance1 = LazySingleton.getInstance();
            System.out.println(instance1);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            LazySingleton instance2 = LazySingleton.getInstance();
            System.out.println(instance2);
        }).start();

    }
}

class LazySingleton {
    private volatile static LazySingleton instance;
    private LazySingleton() {
    }
    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (LazySingleton.class){
                if (instance == null) {
                    instance = new LazySingleton();
                    // 字节码层
                    // JIT ， CPU 有可能对如下指令进行重排序
                    // 1. 分配空间 2. 初始化 3. 引用赋值
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

2.饿汉模式：

类加载的初始化阶段就完成了实例的初始化 。

本质上就是借助于jvm类加载机制 ，保证实例的唯一性（初始化过程只会执行一次）及线程安全（JVM以同步的形式来完成类加载的整个过程）。

类加载过程：

  1. 加载二进制数据到内存中， 生成对应的Class数据结构，
  2. 连接： a. 验证， b.准备（给类的静态成员变量赋默认值），c.解析
  3. 初始化： 给类的静态变量赋初值
    只有在真正使用对应的类时，才会触发初始化 如（ 当前类是启动类即main函数所在类，直接进行new 操作，访问静态属性、访问静态方法，用反射访问类，初始化一个类的子类等.）
java 复制代码 
public class HungrySingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        HungrySingleton instance = HungrySingleton.getInstance();
        HungrySingleton instance1 = HungrySingleton.getInstance();
        System.out.println(instance==instance1);
    }
}
class HungrySingleton {
    private static HungrySingleton instance=new HungrySingleton();
    private HungrySingleton(){
    }
    public static HungrySingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

3.静态内部类

1).本质上是利用类的加载机制 来保证线程安全

2).只有在实际使用的时候，才会触发类的初始化，所以也是懒加载的一种形式。

java 复制代码 
public class InnerClassSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
//        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
//        InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();
//        System.out.println(instance==instance1); //true

        new Thread(() -> {
            InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
            System.out.println(instance);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();
            System.out.println(instance1);
        }).start();
    }
}
class InnerClassSingleton{
    private static class InnerClassHolder{
        private static InnerClassSingleton instance = new InnerClassSingleton();
    }
    private InnerClassSingleton(){
    }
    public static InnerClassSingleton getInstance(){
        return InnerClassHolder.instance;
    }
}

反射

java 复制代码 
public class InnerClassSingletonTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
//        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
//        InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();
//        System.out.println(instance==instance1); //true

//        new Thread(() -> {
//            InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
//            System.out.println(instance);
//        }).start();
//
//        new Thread(() -> {
//            InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();
//            System.out.println(instance1);
//        }).start();

        Constructor<InnerClassSingleton> declaredConstructor = InnerClassSingleton.class.getDeclaredConstructor();
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        InnerClassSingleton innerClassSingleton = declaredConstructor.newInstance();
        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
        System.out.println(innerClassSingleton==instance); //false
    }
}
class InnerClassSingleton{
    private static class InnerClassHolder{
        private static InnerClassSingleton instance = new InnerClassSingleton();
    }
    private InnerClassSingleton(){
    }
    public static InnerClassSingleton getInstance(){
        return InnerClassHolder.instance;
    }
}

如何防止反射攻击破坏？

饿汉模式下无法避免，懒汉模式可在构造函数中增加如下代码，判断实例是否存在。

java 复制代码 
    private InnerClassSingleton(){
        if (InnerClassHolder.instance!=null){
            throw new RuntimeException("单例不允许多个实例");
        }
    }
java 复制代码 
public class InnerClassSingletonTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
//        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
//        InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();
//        System.out.println(instance==instance1); //true

//        new Thread(() -> {
//            InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
//            System.out.println(instance);
//        }).start();
//
//        new Thread(() -> {
//            InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();
//            System.out.println(instance1);
//        }).start();

        Constructor<InnerClassSingleton> declaredConstructor = InnerClassSingleton.class.getDeclaredConstructor();
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        InnerClassSingleton innerClassSingleton = declaredConstructor.newInstance();
        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
        System.out.println(innerClassSingleton==instance); //false
    }
}
class InnerClassSingleton{
    private static class InnerClassHolder{
        private static InnerClassSingleton instance = new InnerClassSingleton();
    }
    private InnerClassSingleton(){
        if (InnerClassHolder.instance!=null){
            throw new RuntimeException("单例不允许多个实例");
        }
    }
    public static InnerClassSingleton getInstance(){
        return InnerClassHolder.instance;
    }
}

枚举类型

1）天然不支持反射创建对应的实例 ，且有自己的反序列化机制

2）利用类加载机制保证线程安全

java 复制代码 
public enum EnumSingletonTest {
    INSTANCE;

    private void print(){
        System.out.println(this.hashCode());
    }
}

class EnumTest{
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException, ClassNotFoundException {
        EnumSingletonTest instance = EnumSingletonTest.INSTANCE;
//        EnumSingletonTest instance1 = EnumSingletonTest.INSTANCE;
//        System.out.println(instance==instance1); // true

//        Constructor<EnumSingletonTest> declaredConstructor = EnumSingletonTest.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
//        declaredConstructor.setAccessible(true);
//        EnumSingletonTest instance = declaredConstructor.newInstance("INSTANCE",0);

//        ObjectOutputStream oss = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("enumsingleton"));
//        oss.writeObject(instance);
//        oss.close();

        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("enumsingleton"));
        EnumSingletonTest object = ((EnumSingletonTest) ois.readObject());
        System.out.println(instance==object); //true:有自己的反序列化机制
    }
}

序列化

可以利用指定方法readResolve来替换从反序列化流中的数据 如下

java 复制代码 
ANY-ACCESS-MODIFIER Object writeReplace() throws ObjectStreamException;
ANY‐ACCESS‐MODIFIER Object readResolve() throws ObjectStreamException;
ANY-ACCESS-MODIFIER static final long serialVersionUID = 42L;
java 复制代码 
public class InnerClassSingletonTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException, ClassNotFoundException {
//        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
//        InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();
//        System.out.println(instance==instance1); //true

//        new Thread(() -> {
//            InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
//            System.out.println(instance);
//        }).start();
//
//        new Thread(() -> {
//            InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();
//            System.out.println(instance1);
//        }).start();

//        Constructor<InnerClassSingleton> declaredConstructor = InnerClassSingleton.class.getDeclaredConstructor();
//        declaredConstructor.setAccessible(true);
//        InnerClassSingleton innerClassSingleton = declaredConstructor.newInstance();
//        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
//        System.out.println(innerClassSingleton==instance); //false

        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
//        ObjectOutputStream oss = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("testSerializable"));
//        oss.writeObject(instance);
//        oss.close();

        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("testSerializable"));
        InnerClassSingleton object = ((InnerClassSingleton) ois.readObject());
        System.out.println(instance==object);

    }
}
class InnerClassSingleton implements Serializable {

    static final long serialVersionUID =42L;

    private static class InnerClassHolder{
        private static InnerClassSingleton instance = new InnerClassSingleton();
    }
    private InnerClassSingleton(){
        if (InnerClassHolder.instance!=null){
            throw new RuntimeException("单例不允许多个实例");
        }
    }
    public static InnerClassSingleton getInstance(){
        return InnerClassHolder.instance;
    }

    Object readResolve() throws ObjectStreamException{
        return InnerClassHolder.instance;
    }
}

部分源码中的应用定位

感兴趣的可以去官网下载源码深入研究

Spring & JDK

java 复制代码 
java.lang.Runtime
java 复制代码 
org.springframework.aop.framework.ProxyFactoryBean
java 复制代码 
org.springframework.beans.factory.support.DefaultSingletonBeanRegistry
java 复制代码 
org.springframework.core.ReactiveAdapterRegistry

Tomcat

java 复制代码 
org.apache.catalina.webresources.TomcatURLStreamHandlerFactory

反序列化指定数据源

java 复制代码 
java.util.Currency

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