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设计模式——单例模式

分类: IT文章 • 2022-07-17 17:00:33

单例模式是最简单的也是设计模式系列书籍开篇第一个讲到的模式，在平时的开发中也经常用它来保证获取的都是同一个实例。

定义：确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

饿汉模式

public class HungrySingleton {
    private static final HungrySingleton singleton = new HungrySingleton();

    //限制外部产生HungrySingleton对象
    private HungrySingleton(){ }

    //向外提供获取示例的静态方法
    public static HungrySingleton getInstance() {
        return singleton;
    }

    //other methods
}

饿汉模式是类加载时候就创建对象，利用了jvm特性保证了线程的安全性。

  • getInstance()方法是static的保证了通过类名可直接获取实例
  • 私有构造方法保证了只有自己才可以创建实例

懒汉模式

双重检查加锁 方式

 1 public class LazySingleton {
 2     private static volatile LazySingleton singleton = null;
 3 
 4     private LazySingleton() { }
 5 
 6     public static LazySingleton getSingleton() {
 7         if (singleton == null) { //不用每次获取对象都强制加锁，为了提升了效率
 8             synchronized (LazySingleton.class) {
 9                 if (singleton == null) {
10                     singleton = new LazySingleton();
11                 }
12             }
13         }
14         return singleton;
15     }
16 }
  • 第7行代码判空是为了提高效率，不用每次获取对象都强制加锁；
  • 第8行同步加锁是为了线程安全；
  • 第9行判空是为了保证单例对象的唯一性，只有没被创建才去创建。
  • volatile关键字为了保证singleton对象的可见性并禁止编译器对其进行编译指令重排序优化。

静态内部类 模式

内部类有用static修饰和不用static修饰的内部类：

  • 用static修饰的是静态内部类，相当于其外部类的static成员，不依赖与外部类的实例，静态内部类只可以引用外部类的静态成员属性和静态方法，只在第一次使用到静态内部类的时候才会被装载；
  • 不用static修饰的内部类称为对象级别内部类，依赖于外部的类实例
public class Singleton2 {
    /**
     * 类级的内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例
     * 没有绑定关系，而且只有被调用到时才会装载，从而实现了延迟加载。
     */
    private static class Singleton2Holder {
        /**
         * 静态初始化器，由JVM来保证线程安全
         */
        private static Singleton2 singleton = new Singleton2();
    }

    private Singleton2() {
        //System.out.println("singleton2 private construct method called");
    }

    public static Singleton2 getSingleton() {
        //System.out.println("singleton2 getSingleton method called");
        return Singleton2Holder.singleton;
    }

    private String name;

    public void desc() {
        //System.out.println("singleton2 desc method called");
    }
}

是饿汉模式的变种形式，利用jvm加载保证线程安全，并且实现了懒加载，只在获取实例的时候才去创建。

JDK中单例的应用

Runtime单例实现

使用的是饿汉模式

设计模式——单例模式

破坏单例模式

反射破坏单例模式

/**饿汉模式——反射创建对象*/
Class<HungrySingleton> singletonClass = HungrySingleton.class;
Constructor<HungrySingleton> singletonConstructor = singletonClass.getDeclaredConstructor();
singletonConstructor.setAccessible(true);
/**先反射创建*/
HungrySingleton hungrySingleton = singletonConstructor.newInstance();
/**再通过单例模式获取实例*/
HungrySingleton instance = HungrySingleton.getInstance();

System.out.println(hungrySingleton);
System.out.println(instance);

通过反射修改构造函数可以被访问，通过反射构造的结果和单例模式获取的不是同一个对象。

序列化破坏单例模式

HungrySingleton instance = HungrySingleton.getInstance();
jsonString = JSON.toJSONString(instance);
HungrySingleton singleton = JSON.parseObject(jsonString, HungrySingleton.class);
System.out.println(instance == singleton);

防止被破坏

防止反射创建对象

反射通过调用构造函数来创建对象，如果在构造函数里抛出异常，就可以组织反射创建对象（这种方式不适用与懒汉模式）。

public class HungrySingleton {
    private static final HungrySingleton singleton = new HungrySingleton();

    //限制外部产生Singleton对象
    private HungrySingleton() {
        if (singleton != null) {
            throw new RuntimeException("不允许创建对象！");
        }
        System.out.println("singleton private construct method called");
    }

    //向外提供获取示例的静态方法
    public static HungrySingleton getInstance() {
        System.out.println("create singleton instance");
        return singleton;
    }
}

再用反射创建对象会报错

/**饿汉模式——反射创建对象*/
Class<HungrySingleton> singletonClass = HungrySingleton.class;
Constructor<HungrySingleton> singletonConstructor = singletonClass.getDeclaredConstructor();
singletonConstructor.setAccessible(true);
/**先反射创建*/
HungrySingleton hungrySingleton = singletonConstructor.newInstance();
/**再通过单例模式获取实例*/
HungrySingleton instance = HungrySingleton.getInstance();

System.out.println(hungrySingleton);
System.out.println(instance);

懒汉模式仍然会被破坏（当反射先于懒汉模式创建对象时，仍然会创建多个对象）

/**懒汉模式——反射创建对象*/
Class<LazySingleton> lazySingletonClass = LazySingleton.class;
Constructor<LazySingleton> lazySingletonConstructor = lazySingletonClass.getDeclaredConstructor();
lazySingletonConstructor.setAccessible(true);
/**先通过反射获取实例*/
LazySingleton lazySingleton = lazySingletonConstructor.newInstance();
/**再通过单例模式获取实例*/
LazySingleton lazyInstance = LazySingleton.getInstance();

System.out.println(lazySingleton);
System.out.println(lazyInstance);

懒汉模式仍然会创建两个对象：

singleton.LazySingleton@593634ad 

singleton.LazySingleton@20fa23c1

防止反序列化创建对象

如果是使用ObjectInputStream方式序列化，可以使用readResolve方法来控制。但序列化的方法有很多种，这种方式并不可靠。

枚举单例

《effective java》第77条：对于实例控制，枚举类型优于readResolve。

以下是一个枚举单例的示例

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;

    public String getDesc() {
        return "desc";
    }

    public static void process() {
        System.out.println("static process method");
    }

    private String name;
    private Integer age;

    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Integer getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }
}

使用时候直接获取 EnumSingleton.INSTANCE 即可获取当前实例，而且序列化与反序列化不会创建对象。

/**枚举获取实例*/
EnumSingleton instance = EnumSingleton.INSTANCE;
instance.setName("this is a enum singleton");
instance.setAge(28);
System.out.println("instance.name:"+instance.getName()+", instance.age:"+instance.getAge());

/**序列化*/
String jsonString = JSON.toJSONString(instance);
/**反序列化创建对象*/
EnumSingleton serializerInstance = JSON.parseObject(jsonString, EnumSingleton.class);
System.out.println(instance == serializerInstance);

Class<EnumSingleton> enumSingletonClass = EnumSingleton.class;
Constructor<EnumSingleton> enumSingletonConstructor = enumSingletonClass.getDeclaredConstructor();
enumSingletonConstructor.setAccessible(true);
/**反射创建*/
EnumSingleton enumSingleton = enumSingletonConstructor.newInstance();
System.out.println(enumSingleton);

输出：

 instance.name:this is a enum singleton, instance.age:28

true 

java.lang.NoSuchMethodException: singleton.EnumSingleton.<init>()

　　at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:3082)

总结，实现单例模式的唯一推荐方法，使用枚举类来实现。

guava中的单例

 guava里有个Suppliers提供了memoize方法，用法如下：

Suppliers.memoize(new Supplier<Object>() {
            @Override
            public Object get() {
                return new Demo();
            }
        });

查看其实现源码，将传入的Suppliers作为代理传给MemoizingSupperlizer，返回一个类型为MemoizingSupperlizer类型的Supperlier对象；如果不是MemoizingSupperlizer类型，创建一个MemoizingSupperlizer实例返回：

设计模式——单例模式

MemoizingSupperlizer内部get方法使用double-check方式实现了只执行一次创建对象方法

设计模式——单例模式

同样的还有 ExpiringMemoizingSupplier 方法，支持过期时间只有再次调用get方法创建对象（可以用来实现缓存）

参考

代码示例

《设计模式之禅》
https://www.cnblogs.com/shangxinfeng/p/6754345.html
https://www.cnblogs.com/ttylinux/p/6498822.html?utm_source=itdadao&utm_medium=referral
https://blog.csdn.net/hintcnuie/article/details/17968261
https://www.cnblogs.com/ldq2016/p/6627542.html

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