【Java设计模式】二、单例模式

发布于：2024-03-01 ⋅ 阅读:(37) ⋅ 点赞:(0)

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设计模式即总结出来的一些最佳实现。GoF(四人组) 书中提到23种设计模式，可分为三大类：

  • 创建型模式：隐藏了创建对象的过程，通过逻辑方法进行创建对象，使用者不用关注对象的创建细节（对那种属性很多，创建麻烦的对象尤其好用）
  • 结构型模式：主要关注类和对象的组合关系。将类或对象按某种布局组成更大的结构
  • 行为型模式：主要关注对象之间的通信与配合

在这里插入图片描述

0、单例模式

  • 单例模式即在程序中想要保持一个实例对象，让某个类只有一个实例
  • 单例类必须自己创建自己唯一的实例，并对外提供
  • 优点：减少了内存开销

单例模式的实现，有以下几种思路：

1、饿汉式

  • 类加载就会导致该单实例对象被创建
  • 通过静态代码块或者静态变量直接初始化

方式一：静态成员变量的方式

public class HungrySingleton {

    private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();
	
	//私有的构造方法，只能本类调用，不给外界用
    private HungrySingleton(){

    }
	//提供一个获取实例的方法给外界
    public static HungrySingleton getInstance(){
        return hungrySingleton;
    }
}

方式二：静态代码块

public class HungrySingleton {

   
    private static HungrySingleton hungrySingleton = null;

    //  静态代码块中进行赋值
    static {
        hungrySingleton = new HungrySingleton();
    }
	//私有的构造方法，只能本类调用，不给外界用
    private HungrySingleton(){

    }
	//提供一个获取实例的方法给外界
    public static HungrySingleton getInstance(){
        return hungrySingleton;
    }
}

以上两种方式，对象会随着类的加载而创建，如果这个对象后来一直没被用，就有点白占内存了。

2、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


懒汉式方式一：线程不安全 
public class LazySingleton  {
    private static LazySingleton lazySingleton = null;

    /**
     * 私有的构造方法，保证出了本类就不能再被调用，以防直接去创建对象
     */
    private LazySingleton() {

    }

    /**
     * 单例对象的获取
     */
    public static LazySingleton getInstance() {
        if (lazySingleton == null) {
            lazySingleton = new LazySingleton();
        }
        return lazySingleton;
    }

}

测试类启两个线程获取对象：

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();
    }
}

发现可能出现获取到两个不同对象的情况，这是因为线程安全问题：

在这里插入图片描述

两个线程A、B，同时执行完IF 这一行，被挂起，再被唤醒时继续往下执行，就会创建出两个不同的实例对象。那最先想到的应该是synchronized关键字解决，但这样性能低下，因为不管对象是否为null，每次都要等着获取锁。

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

3、双重检查

通过两个IF判断，加上同步锁进行实现。（懒汉式方式二：双重检查）

public class DoubleCheckSingleton {

    private static DoubleCheckSingleton doubleCheckSingleton;

    /**
     * 私有的构造方法，保证出了本类就不能再被调用，以防直接去创建对象
     */
    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两个线程同时执行到第一个IF，只能有一个成功创建对象，另一个获取到锁后，第二重判断会告诉它已经有对象实例了。而亮点则在于，对象初始化完成后，后面来获取对象的线程不用等着拿锁，第一个IF就能告诉它已有对象，不用再等锁了。


以上双端检锁虽然线程安全，但问题是，JVM指令重排序后，可能出现空指针异常，可再加volatile关键字（volatile的可见性和有序性，这里用它的有序性）

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

4、静态内部类

在单例类中，通过私有的静态内部类，创建单例对象（加private修饰词的，出了本类无法调用和访问）。这也是懒汉式的第三种方式。

public class StaticInnerClassSingleton {

    /**
     * 私有的静态内部类实例化对象
     * 给内部类的属性赋值一个对象
     */
    private static class InnerClass{
        private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton();
    }

    /**
     * 私有的构造方法，保证出了本类就不能再被调用，以防直接去创建对象
     */
    private StaticInnerClassSingleton(){

    }
	/**
     * 对外提供获取实例的方法
     */
    public static StaticInnerClassSingleton getInstance(){
        return InnerClass.staticInnerClassSingleton;
    }
}

外部类StaticInnerClassSingleton被加载时，其对象不一定被初始化，因为内部类没有被主动使用到。直到调用getInstance方法时，静态内部类InnerClass被加载，完成实例化。

静态内部类在被加载时，不会立即实例化，而是在第一次使用时才会被加载并初始化。

JVM在加载外部类的过程中，不会加载静态内部类，只有内部类的属性或方法被调用时才会被加载，并初始化其静态属性。 这种延迟加载的特性，使得我们可以通过静态内部类来实现在需要时创建单例对象。这种方式没有线程安全问题，也没有性能影响和空间的浪费。

5、枚举

  • 单例模式的最佳实现方式
  • 枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次
  • 可有效防止对单例模式的破坏
  • 属于饿汉式
public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;

    public static EnumSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

6、单例模式的破坏：序列化和反序列化

通过流将单例对象，序列化到文件中，然后再反序列化读取出来。发现通过反序列化方式创建出来的对象内存地址，和原对象不一样。或者对象序列化到文件后，两次反序列化得到的对象也不一样，单例模式被破坏。

public class TestSerializer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //懒汉式
        LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
        //把对象序列化到文件中
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton"));
        oos.writeObject(instance);
        //从文件中反序列化对象
        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);
    }
}

在这里插入图片描述

可以发现单例模式的五种实现方式中，只有枚举不会被破坏单例模式。如果非要用其他几种模式，可以加readResolve方法来重写反序列化逻辑。因为反序列化创建对象时，是通过反射创建的，反射会调用readResolve方法，并将其返回值做为反序列化的结果。 没有重写readResolve方法时，会通过反射创建一个新的对象，从而破坏了单例模式。这一点在对象流ObjectInputStream的源码可看出：

在这里插入图片描述

public class LazySingleton implements Serializable {
    private static LazySingleton lazySingleton = null;

    /**
     * 私有的构造方法，保证出了本类就不能再被调用，以防直接去创建对象
     */
    private LazySingleton() {
    }

    /**
     * 单例对象的获取
     */
    public static LazySingleton getInstance() {
        if (lazySingleton == null) {
            lazySingleton = new LazySingleton();
        }
        return lazySingleton;
    }

    private Object readResolve(){
        return lazySingleton;
    }


}

在这里插入图片描述

也可考虑使用@JsonCreator注解。

7、单例模式的破坏：反射

  • 通过字节码对象，创建构造器对象
  • 通过构造器对象，初始化单例对象
  • 由于单例对象的构造方法是private私有的，调用构造器中的方法，赋予权限，创建单例对象

注意私有修饰词时，反射会IllegalAccessException

在这里插入图片描述

处理下private问题，用懒汉模式验证：

public class TestReflect {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //创建字节码对象
        Class<LazySingleton> clazz = LazySingleton.class;
        //构造器对象
        Constructor<LazySingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
        //赋予权限
        constructor.setAccessible(true);
        //解决了私有化问题，获取实例对象
        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);

    }
}

在这里插入图片描述

用枚举的方式验证：

public class TestEnumReflect {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class<EnumSingleton> clazz = EnumSingleton.class;
        //枚举下的单例模式，创建构造方法时，需要给两个参数，薮泽NoSuchMethodException
        //这两个参数是源码中的体现，一个是String，一个是int
        Constructor<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);

    }
}

运行报错：Cannot reflectively create enum objects，即反射创建枚举的单例对象，是不允许的：

在这里插入图片描述

在其他单例模式的实现方式里，也可以实现不允许通过反射创建对象，反射靠拿构造方法对象，调整下构造方法（比如双重检锁）：

public class DoubleCheckSingleton {

    private static DoubleCheckSingleton doubleCheckSingleton;

    /**
     * 私有的构造方法，保证出了本类就不能再被调用，以防直接去创建对象
     */
    private DoubleCheckSingleton(){
		if (doubleCheckSingleton != null) {
			throw new RuntimeException("不允许创建多个对象");
		}
    }
    public static DoubleCheckSingleton getInstance(){
        if(doubleCheckSingleton == null){
            synchronized (DoubleCheckSingleton.class){
                if(doubleCheckSingleton == null){
                    doubleCheckSingleton = new DoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        return doubleCheckSingleton;
    }
}

或者：

在这里插入图片描述

8、单例模式的实际应用

JDK的Runtime类就是饿汉式的单例模式：

在这里插入图片描述

PS：Runtime类的简单使用 --> 执行DOS命令并获取结果

public class RuntimeDemo {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		//获取Runtime类对象
		Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
		//返回 Java 虚拟机中的内存总量。
		System.out.println(runtime.totalMemory());
		//返回 Java 虚拟机试图使用的最大内存量。
		System.out.println(runtime.maxMemory());
		//创建一个新的进程执行指定的字符串命令，返回进程对象
		Process process = runtime.exec("ipconfig");
		//获取命令执行后的结果，通过输入流获取
		InputStream inputStream = process.getInputStream();
		byte[] arr = new byte[1024 * 1024* 100];
		//将流输入到数组，返回读到的字节个数
		int b = inputStream.read(arr); 
		//字节数组转字符串，指定下字符集为GBK
		System.out.println(new String(arr,0 ,b ,"gbk"));
	}
}
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