Java设计模式001 --- 单例模式

Posted 2021-02-19 光头用沙宣

前言

什么是单例模式？就是在一个应用程序中，一个类的实例有且仅有一个；这个类负责创建该类的实例；

一般来说单例是有状态的对象，比如全局设置、数据库dao实例、全局资源等，并且可以根据需求延迟加载或者即时加载；

即时加载单例模式

1、静态公有域单例（我不习惯别人说的饿汉、懒汉）

public class Singleton1 {
    public static final Singleton1 INSTANCE = new Singleton1();

    // 私有构造器, 防止被实例化
    private Singleton1() {
    }
public void doWhatever() {
    }
}

使用方法：SingleTon1.INSTANCE

特点：在类加载的时候就初始化好了，无线程安全问题；

           即时加载，但是存在单例被破坏的风险，如使用反射、序列化

反射方式：

public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
    Class<Singleton1> clazz = Singleton1.class;
    Constructor<Singleton1> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Singleton1 singleton1 = constructor.newInstance();
    System.out.println(singleton1 == Singleton1.getInstance());
}

序列化方式（前提是单例类实现了Serializale）：

public static void main(String[] args) {
    Singleton1 singleton = Singleton1.getInstance();
    File file = new File("src\\\\main\\\\resources\\\\singleton.txt");
    try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
         ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos)) {
        oos.writeObject(singleton);
    } catch (IOException ex) {
        ex.printStackTrace();
    }

    try (FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
         ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis)) {
        Singleton1 singleton1 = (Singleton1) ois.readObject();
        System.out.println(singleton == singleton1);
    } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

 2、上述问题的解决方案

为了解决反射对单例造成的破坏，可以做如下修改：在私有构造方法中判断实例是否为null，否则抛运行时异常

// 私有构造器, 防止被实例化
private Singleton1() {
    if (instance != null) {
        throw new RuntimeException();
    }
}

上述方法对序列化不起作用，这也从侧面验证了反序列化创建的对象不依赖类的构造器，而是由JVM创建的；

为了解决序列化对单例造成的破坏，可做如下修改：在序列化类中添加私有readResolve方法

private Object readResolve() {
    return instance;
}

3、静态工厂方法单例

public class SingletonFactory implements Serializable {
    private static final SingletonFactory INSTANCE = new SingletonFactory();

    private SingletonFactory() {
        if (INSTANCE != null) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    public static SingletonFactory getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    private Object readResolve() {
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonFactory instance1 = SingletonFactory.getInstance();
        // 序列化
        File file = new File("src\\\\main\\\\resources\\\\serial\\\\serial_singleton.txt");
        try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
             ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos)) {
            oos.writeObject(instance1);
        } catch (IOException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        // 反序列化
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
             ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis)) {
            SingletonFactory instance2 = (SingletonFactory) ois.readObject();
            System.out.println(instance1 == instance2);
        } catch (IOException | ClassNotFoundException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }

        // 反射
        try {
            Constructor<SingletonFactory> constructor = SingletonFactory.class.getDeclaredConstructor();
            SingletonFactory instance3 = constructor.newInstance();
            System.out.println(instance1 == instance3);
        } catch (NoSuchMethodException | InstantiationException | IllegalAccessException | InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

和静态公有域相比，静态工厂方法更灵活，可以修改单例为延迟加载、甚至可以改成非单例

4、枚举单例模式

虽然有以上方法可以解决反射和序列化带来的问题，但是有更简便的单例模式 --- 枚举单例

枚举单例有如下几个有点：线程安全、能够防止反射和序列化带来的破坏、实现简单

public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;

    public void doWhatever() {
        System.out.println("Single Enum.");
    }
}

使用方法：SingletonEnum.INSTANCE.doWhatever()

验证下反射和序列化场景是否会破坏单例：

public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
    SingletonEnum instance = SingletonEnum.INSTANCE;
    // 验证两次获取的是否是同一个对象
    System.out.println(instance == SingletonEnum.INSTANCE);
    // 序列化场景
    File file = new File("src\\\\main\\\\resources\\\\singleton.txt");
    try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
         ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos)) {
        oos.writeObject(instance);
    } catch (IOException ex) {
        ex.printStackTrace();
    }

    try (FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
         ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis)) {
        SingletonEnum instance2 = (SingletonEnum) ois.readObject();
        System.out.println(instance == instance2);
    } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    // 反射场景
    Class<SingletonEnum> clazz = SingletonEnum.class;
    Constructor<SingletonEnum> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
    constructor.setAccessible(true);
    SingletonEnum instance1 = constructor.newInstance();
    System.out.println(instance == instance1);
}

运行结果：

 为啥使用反射的时候会抛异常呢？这是因为反射的源码是这样写的：

 

 那么又为啥枚举单例能够保证单例不被序列化破坏呢？

 这是因为Java中规定，每个枚举变量在JVM中都是唯一的，并且Java还规定，枚举类在反序列化时使用枚举类的valueOf方法

 枚举类反编译结果如下：

 

 线程安全又是为什么？从反编译结果就能看出，INSTANCE是静态的，并且初始化时就创建了实例

延迟加载

有些场景下单例需要延迟加载，比如：(1)单例加载的资源较多，并且使用率低；(2)依赖其他延迟加载资源，即时加载导致数据不完整；

1、静态内部类单例

public class StaticInnerSingleton {
    private static class SingleInner {
        private static final StaticInnerSingleton INSTANCE = new StaticInnerSingleton();
    }

    private StaticInnerSingleton() {
    }

    public static StaticInnerSingleton getInstance() {
        return SingleInner.INSTANCE;
    }
}

2、双重锁模式

public class SingleLock {
    private static volatile SingleLock instance;

    private SingleLock() {
    }

    public static SingleLock getInstance() {
        // 降低加锁带来的性能开销
        if (instance != null) {
            synchronized (SingleLock.class) {
                // 防止被实例化多次
                if (instance != null) {
                    instance = new SingleLock();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种方法性能较差，建议延迟加载使用静态内部类单例模式

spring中的单例

spring中的单例指的是在spring IOC容器中只有一个实例，但是一个java程序中可以有多个spring IOC容器，并不保证java应用程序中的单例