【Java設計模式】二、單例模式

文章目錄

  • 0、單例模式
  • 1、餓漢式
  • 2、懶漢式
  • 3、雙重檢查
  • 4、靜態內部類
  • 5、枚舉
  • 6、單例模式的破壞：序列化和反序列化
  • 7、單例模式的破壞：反射
  • 8、單例模式的實際應用

設計模式即總結出來的一些最佳實現。GoF(四人組) 書中提到23種設計模式，可分為三大類：

  • 創建型模式：隱藏了創建對象的過程，通過邏輯方法進行創建對象，使用者不用關注對象的創建細節（對那種屬性很多，創建麻煩的對象尤其好用）
  • 結構型模式：主要關注類和對象的組合關系。將類或對象按某種布局組成更大的結構
  • 行為型模式：主要關注對象之間的通信與配合

在這里插入圖片描述

0、單例模式

  • 單例模式即在程序中想要保持一個實例對象，讓某個類只有一個實例
  • 單例類必須自己創建自己唯一的實例，并對外提供
  • 優點：減少了內存開銷

單例模式的實現，有以下幾種思路：

1、餓漢式

  • 類加載就會導致該單實例對象被創建
  • 通過靜態代碼塊或者靜態變量直接初始化

方式一：靜態成員變量的方式

public class HungrySingleton {private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();//私有的構造方法，只能本類調用，不給外界用private HungrySingleton(){}//提供一個獲取實例的方法給外界public static HungrySingleton getInstance(){return hungrySingleton;}
}

方式二：靜態代碼塊

public class HungrySingleton {private static HungrySingleton hungrySingleton = null;//  靜態代碼塊中進行賦值static {hungrySingleton = new HungrySingleton();}//私有的構造方法，只能本類調用，不給外界用private HungrySingleton(){}//提供一個獲取實例的方法給外界public static HungrySingleton getInstance(){return hungrySingleton;}
}

以上兩種方式，對象會隨著類的加載而創建，如果這個對象后來一直沒被用，就有點白占內存了。

2、懶漢式

類加載不會導致該單實例對象被創建，而是首次使用該對象時才會創建


懶漢式方式一：線程不安全 
public class LazySingleton  {private static LazySingleton lazySingleton = null;/*** 私有的構造方法，保證出了本類就不能再被調用，以防直接去創建對象*/private LazySingleton() {}/*** 單例對象的獲取*/public static LazySingleton getInstance() {if (lazySingleton == null) {lazySingleton = new LazySingleton();}return lazySingleton;}}

測試類啟兩個線程獲取對象：

public class Test {public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->" + instance);}, "t1").start();new Thread(() -> {LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "-->" + instance);}, "t2").start();}
}

發現可能出現獲取到兩個不同對象的情況，這是因為線程安全問題：

在這里插入圖片描述

兩個線程A、B，同時執行完IF 這一行，被掛起，再被喚醒時繼續往下執行，就會創建出兩個不同的實例對象。那最先想到的應該是synchronized關鍵字解決，但這樣性能低下，因為不管對象是否為null，每次都要等著獲取鎖。

//性能低下，一刀切，不可行
public static synchronized LazySingleton getInstance() {if (lazySingleton == null) {lazySingleton = new LazySingleton();}return lazySingleton;}

3、雙重檢查

通過兩個IF判斷，加上同步鎖進行實現。（懶漢式方式二：雙重檢查）

public class DoubleCheckSingleton {private static DoubleCheckSingleton doubleCheckSingleton;/*** 私有的構造方法，保證出了本類就不能再被調用，以防直接去創建對象*/private DoubleCheckSingleton(){}public static DoubleCheckSingleton getInstance(){if(doubleCheckSingleton == null){synchronized (DoubleCheckSingleton.class){if(doubleCheckSingleton == null){doubleCheckSingleton = new DoubleCheckSingleton();}}}return doubleCheckSingleton;}
}

如此，再有A、B兩個線程同時執行到第一個IF，只能有一個成功創建對象，另一個獲取到鎖后，第二重判斷會告訴它已經有對象實例了。而亮點則在于，對象初始化完成后，后面來獲取對象的線程不用等著拿鎖，第一個IF就能告訴它已有對象，不用再等鎖了。


以上雙端檢鎖雖然線程安全，但問題是，JVM指令重排序后，可能出現空指針異常，可再加volatile關鍵字（volatile的可見性和有序性，這里用它的有序性）

//...
private static volatile DoubleCheckSingleton doubleCheckSingleton;
//...

4、靜態內部類

在單例類中，通過私有的靜態內部類，創建單例對象（加private修飾詞的，出了本類無法調用和訪問）。這也是懶漢式的第三種方式。

public class StaticInnerClassSingleton {/*** 私有的靜態內部類實例化對象* 給內部類的屬性賦值一個對象*/private static class InnerClass{private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton();}/*** 私有的構造方法，保證出了本類就不能再被調用，以防直接去創建對象*/private StaticInnerClassSingleton(){}/*** 對外提供獲取實例的方法*/public static StaticInnerClassSingleton getInstance(){return InnerClass.staticInnerClassSingleton;}
}

外部類StaticInnerClassSingleton被加載時，其對象不一定被初始化，因為內部類沒有被主動使用到。直到調用getInstance方法時，靜態內部類InnerClass被加載，完成實例化。

靜態內部類在被加載時，不會立即實例化，而是在第一次使用時才會被加載并初始化。

JVM在加載外部類的過程中，不會加載靜態內部類，只有內部類的屬性或方法被調用時才會被加載，并初始化其靜態屬性。 這種延遲加載的特性，使得我們可以通過靜態內部類來實現在需要時創建單例對象。這種方式沒有線程安全問題，也沒有性能影響和空間的浪費。

5、枚舉

  • 單例模式的最佳實現方式
  • 枚舉類型是線程安全的，并且只會裝載一次
  • 可有效防止對單例模式的破壞
  • 屬于餓漢式
public enum EnumSingleton {INSTANCE;public static EnumSingleton getInstance(){return INSTANCE;}
}

6、單例模式的破壞：序列化和反序列化

通過流將單例對象，序列化到文件中，然后再反序列化讀取出來。發現通過反序列化方式創建出來的對象內存地址，和原對象不一樣。或者對象序列化到文件后，兩次反序列化得到的對象也不一樣，單例模式被破壞。

public class TestSerializer {public static void main(String[] args) throws Exception {//懶漢式LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();//把對象序列化到文件中ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton"));oos.writeObject(instance);//從文件中反序列化對象ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("singleton"));LazySingleton objInstance = (LazySingleton) ois.readObject();System.out.println(instance);System.out.println(objInstance);System.out.println(instance == objInstance);}
}

在這里插入圖片描述

可以發現單例模式的五種實現方式中，只有枚舉不會被破壞單例模式。如果非要用其他幾種模式，可以加readResolve方法來重寫反序列化邏輯。因為反序列化創建對象時，是通過反射創建的，反射會調用readResolve方法，并將其返回值做為反序列化的結果。 沒有重寫readResolve方法時，會通過反射創建一個新的對象，從而破壞了單例模式。這一點在對象流ObjectInputStream的源碼可看出：

在這里插入圖片描述

public class LazySingleton implements Serializable {private static LazySingleton lazySingleton = null;/*** 私有的構造方法，保證出了本類就不能再被調用，以防直接去創建對象*/private LazySingleton() {}/*** 單例對象的獲取*/public static LazySingleton getInstance() {if (lazySingleton == null) {lazySingleton = new LazySingleton();}return lazySingleton;}private Object readResolve(){return lazySingleton;}}

在這里插入圖片描述

也可考慮使用@JsonCreator注解。

7、單例模式的破壞：反射

  • 通過字節碼對象，創建構造器對象
  • 通過構造器對象，初始化單例對象
  • 由于單例對象的構造方法是private私有的，調用構造器中的方法，賦予權限，創建單例對象

注意私有修飾詞時，反射會IllegalAccessException

在這里插入圖片描述

處理下private問題，用懶漢模式驗證：

public class TestReflect {public static void main(String[] args) throws Exception{//創建字節碼對象Class<LazySingleton> clazz = LazySingleton.class;//構造器對象Constructor<LazySingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();//賦予權限constructor.setAccessible(true);//解決了私有化問題，獲取實例對象LazySingleton o1 = constructor.newInstance();//再次反射LazySingleton o2 = constructor.newInstance();System.out.println(o1);System.out.println(o2);System.out.println(o1 == o2);}
}

在這里插入圖片描述

用枚舉的方式驗證：

public class TestEnumReflect {public static void main(String[] args) throws Exception {Class<EnumSingleton> clazz = EnumSingleton.class;//枚舉下的單例模式，創建構造方法時，需要給兩個參數，藪澤NoSuchMethodException//這兩個參數是源碼中的體現，一個是String，一個是intConstructor<EnumSingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);constructor.setAccessible(true);EnumSingleton instanceReflect = constructor.newInstance("test",1234);EnumSingleton instanceSingleton = EnumSingleton.getInstance();System.out.println(instanceReflect);System.out.println(instanceSingleton);System.out.println(instanceReflect == instanceSingleton);}
}

運行報錯：Cannot reflectively create enum objects，即反射創建枚舉的單例對象，是不允許的：

在這里插入圖片描述

在其他單例模式的實現方式里，也可以實現不允許通過反射創建對象，反射靠拿構造方法對象，調整下構造方法（比如雙重檢鎖）：

public class DoubleCheckSingleton {private static DoubleCheckSingleton doubleCheckSingleton;/*** 私有的構造方法，保證出了本類就不能再被調用，以防直接去創建對象*/private DoubleCheckSingleton(){if (doubleCheckSingleton != null) {throw new RuntimeException("不允許創建多個對象");}}public static DoubleCheckSingleton getInstance(){if(doubleCheckSingleton == null){synchronized (DoubleCheckSingleton.class){if(doubleCheckSingleton == null){doubleCheckSingleton = new DoubleCheckSingleton();}}}return doubleCheckSingleton;}
}

或者：

在這里插入圖片描述

8、單例模式的實際應用

JDK的Runtime類就是餓漢式的單例模式：

在這里插入圖片描述

PS：Runtime類的簡單使用 --> 執行DOS命令并獲取結果

public class RuntimeDemo {public static void main(String[] args) throws IOException {//獲取Runtime類對象Runtime runtime = Runtime.getRuntime();//返回 Java 虛擬機中的內存總量。System.out.println(runtime.totalMemory());//返回 Java 虛擬機試圖使用的最大內存量。System.out.println(runtime.maxMemory());//創建一個新的進程執行指定的字符串命令，返回進程對象Process process = runtime.exec("ipconfig");//獲取命令執行后的結果，通過輸入流獲取InputStream inputStream = process.getInputStream();byte[] arr = new byte[1024 * 1024* 100];//將流輸入到數組，返回讀到的字節個數int b = inputStream.read(arr); //字節數組轉字符串，指定下字符集為GBKSystem.out.println(new String(arr,0 ,b ,"gbk"));}
}

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