单例设计模式

Bigagu2024-08-05 14:32

文章目录

    • [1. 单例设计模式](#1. 单例设计模式)
    • [2. 单例模式的结构](#2. 单例模式的结构)
    • [3. 单例模式的实现](#3. 单例模式的实现)
    • [4. 存在的问题](#4. 存在的问题)

1. 单例设计模式

（1）单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。

（2）这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

（3）这种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 ，即单例 。

（4）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。

2. 单例模式的结构

单例模式的主要有以下角色：

  • 单例类。只能创建一个实例的类
  • 访问类。使用单例类

3. 单例模式的实现

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
    存在内存浪费问题
  • 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
  1. 饿汉式-方式1（静态变量方式）
java 复制代码 
public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance = new Singleton();

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}
  1. 饿汉式-方式2（静态代码块方式）
java 复制代码 
public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;
    
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}
  1. 饿汉式-方式3（枚举方式）
    （1）枚举类实现单例模式是极力推荐的单例实现模式
    （2）因为枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次
    （3）枚举的写法非常简单，而且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
java 复制代码 
public enum Singleton {
    INSTANCE;
}
  1. 懒汉式-方式1（线程不安全）
    （1）多线程环境，会出现线程安全问题
java 复制代码 
public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {

        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
  1. 懒汉式-方式2（线程安全）
    （1）解决了线程安全问题
    （2）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
    （3）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了
java 复制代码 
public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static synchronized Singleton getInstance() {

        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
  1. 懒汉式-方式3（双重检查锁）
    （1）对于 getInstance() 方法来说，绝大部分的操作都是读操作（return instance）
    （2）读操作是线程安全的，没必让每个线程必须持有锁才能调用该方法
java 复制代码 
public class Singleton { 

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    private static volatile Singleton instance;

   //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
		//第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                //抢到锁之后再次判断是否为null
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

（3）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

（4）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

  1. 懒汉式-方式4（静态内部类方式）
    （1） 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
    （2）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
    （3）静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式，是开源项目中比较常用的一种单例模式
    （4）在没有加任何锁的情况下，保证了多线程下的安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。
java 复制代码 
public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

4. 存在的问题

破坏单例模式：序列化、反射

使上面定义的单例类（Singleton）可以创建多个对象，枚举方式除外

  1. 问题演示

    • 序列化反序列化

      java 复制代码 
      public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //往文件中写对象
        //writeObject2File();
        //从文件中读取对象
        Singleton s1 = readObjectFromFile();
        Singleton s2 = readObjectFromFile();

        //判断两个反序列化后的对象是否是同一个对象
        System.out.println(s1 == s2);
    }

    private static Singleton readObjectFromFile() throws Exception {
        //创建对象输入流对象
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\a.txt"));
        //第一个读取Singleton对象
        Singleton instance = (Singleton) ois.readObject();
        return instance;
    }

    public static void writeObject2File() throws Exception {
        //获取Singleton类的对象
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        //创建对象输出流
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\a.txt"));
        //将instance对象写出到文件中
        oos.writeObject(instance);
    }
}

    • 反射

      java 复制代码 
      public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //获取Singleton类的字节码对象
        Class clazz = Singleton.class;
        //获取Singleton类的私有无参构造方法对象
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
        //取消访问检查
        constructor.setAccessible(true);

        //创建Singleton类的对象s1
        Singleton s1 = (Singleton) constructor.newInstance();
        //创建Singleton类的对象s2
        Singleton s2 = (Singleton) constructor.newInstance();

        //判断通过反射创建的两个Singleton对象是否是同一个对象
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

  2. 问题的解决

    • 添加readResolve()方法
      在反序列化时被反射调用，如果定义了这个方法，就返回这个方法的值，如果没有定义，则返回新new出来的对象

      java 复制代码 
      public class Singleton implements Serializable {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
    
    /**
     * 下面是为了解决序列化反序列化破解单例模式
     */
    private Object readResolve() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

    • 反射方式调用构造方法进行创建创建时，直接抛异常

      java 复制代码 
      public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {
        /*
           反射破解单例模式需要添加的代码
        */
        if(instance != null) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }
    
    private static volatile Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {

        if(instance != null) {
            return instance;
        }

        synchronized (Singleton.class) {
            if(instance != null) {
                return instance;
            }
            instance = new Singleton();
            return instance;
        }
    }
}
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