JUC - 多线程之 单例模式

Posted 2022-11-23 MinggeQingchun

单例模式（Singleton Pattern）是一种非常简单的设计模式之一，当我们使用的对象要在全局唯一时就需要用到该模式，以保证对象的唯一性。除此之外，还能避免反复的实例化对象，减少内存开销

单例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

单例主要有如下创建方式

一、饿汉式--静态变量（线程安全）

/**
 * 1、饿汉式-静态变量（线程安全）
 */
public class Hungry1 
    // 可能会浪费空间
    private byte[] data1 = new byte[1024*1024];
    private byte[] data2 = new byte[1024*1024];

    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new构造方法创建实例
    private Hungry1()
    

    // 2、内部创建对象
    private static Hungry1 singleton = new Hungry1();

    // 3、对外获取实例的方法
    public static Hungry1 getInstance()
        return singleton;
    

优点：写法简单；避免了线程同步问题

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading懒加载的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费 

二、饿汉式--静态代码块（线程安全）

/**
 * 2、饿汉式-静态代码块（线程安全）
 */
public class Hungry2 
    // 可能会浪费空间
    private byte[] data1 = new byte[1024*1024];
    private byte[] data2 = new byte[1024*1024];

    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new构造方法创建实例
    private Hungry2()
    

    // 2、内部静态代码块中创建对象
    private static Hungry2 singleton;
    static
        singleton = new Hungry2();
    

    // 3、对外获取实例的方法
    public static Hungry2 getInstance()
        return singleton;
    

优缺点同上 

三、懒汉式--简单判断非空（多线程并发不安全，单线程无影响）

/**
 * 3、懒汉式-简单判断非空（多线程并发不安全，单线程无影响）
 */
public class Lazy1 
    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new构造方法创建实例
    private Lazy1() 

    // 2、声明类成员变量singleton
    private static Lazy1 singleton;

    // 3、对外获取实例的方法，先判断singleton是否为空，为空则创建
    public static Lazy1 getInstance()
        if (singleton == null)
            singleton = new Lazy1();
        
        return singleton;
    

优点：在使用时才会生成对象，能够减少内存开销

缺点：线程不安全，只适用单线程，当有多个线程访问时，能够产生多个对象，不满足单例模式的要求

在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例

四、懒汉式--synchronized锁方法（线程安全，效率低）

/**
 * 4、懒汉式-synchronized锁方法（线程安全，效率低）
 */
public class Lazy2 
    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new构造方法创建实例
    private Lazy2() 

    // 2、声明类成员变量singleton
    private static Lazy2 singleton;

    // 3、对外获取实例的方法，先判断singleton是否为空，为空则创建
    public static synchronized Lazy2 getInstance()
        if (singleton == null)
            singleton = new Lazy2();
        
        return singleton;
    

优点：线程安全

缺点：效率太低，synchronized锁了整个方法，下一个线程必须等上一个线程释放锁，效率很低，不建议使用

五、懒汉式--synchronized同步代码块（多线程并发不安全）

/**
 * 5、懒汉式-synchronized同步代码块（多线程并发不安全）
 */
public class Lazy3 
    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new构造方法创建实例
    private Lazy3() 

    // 2、声明类成员变量singleton
    private static Lazy3 singleton;

    // 3、对外获取实例的方法，先判断singleton是否为空，为空则创建
    public static synchronized Lazy3 getInstance()
        if (singleton == null)
            synchronized (Lazy3.class)
                singleton = new Lazy3();
            
        
        return singleton;
    

优点：在使用时才会生成对象，能够减少内存开销

缺点：线程不安全

假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例

六、懒汉式--双重检查DCL（线程安全;常用）

/**
 * 6、懒汉式-双重检查（线程安全;常用）
 */
public class Lazy4 
    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new构造方法创建实例
    private Lazy4() 

    // 2、声明类成员变量singleton
    private volatile static Lazy4 singleton;

    // 3、对外获取实例的方法，先判断singleton是否为空，为空则创建
    public static Lazy4 getInstance()
        if (singleton == null)
            synchronized (Lazy4.class)
                if (singleton == null)
                    /* 有可能 非原子性操作
                     * 1、分配内存空间
                     * 2、执行构造方法，初始化对象
                     * 3、把这个对象指向这个空间
                     *
                     * 123
                     * 132 ；此时lazyMan还没有完成构造，报出空指针异常，最好加上volatile修饰
                     */
                    singleton = new Lazy4();
                
            
        
        return singleton;
    

Double-Check概念对于多线程开发者来说不会陌生，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton == null)，直接return实例化对象 

优点：效率高，线程安全

缺点：可通过反射破坏单例模式 

反射破坏双重懒汉式单例

1、反射破坏双重懒汉式单例--破坏私有无参构造器

/**
 * 6、懒汉式-双重检查（线程安全;常用）
 *
 * 1、反射破坏双重懒汉式单例--破坏私有无参构造器
 */
public class Lazy4Reflect 
    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new构造方法创建实例
    private Lazy4Reflect() 

    // 2、声明类成员变量singleton
    private static Lazy4Reflect singleton;
    //private static boolean isReflect = false;

    // 3、对外获取实例的方法，先判断singleton是否为空，为空则创建
    public static Lazy4Reflect getInstance()
        if (singleton == null)
            synchronized (Lazy4Reflect.class)
                if (singleton == null)
                    /* 有可能 非原子性操作
                     * 1、分配内存空间
                     * 2、执行构造方法，初始化对象
                     * 3、把这个对象指向这个空间
                     *
                     * 123
                     * 132 ；此时lazyMan还没有完成构造，报出空指针异常
                     */
                    singleton = new Lazy4Reflect();
                
            
        
        return singleton;
    


class Test
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException 
        // 反射破坏单例
        Lazy4Reflect instance = Lazy4Reflect.getInstance();
        Constructor<Lazy4Reflect> constructor = Lazy4Reflect.class.getDeclaredConstructor(null);

        // 忽略私有构造器
        constructor.setAccessible(true);

        Lazy4Reflect instance1 = constructor.newInstance();

        System.out.println(instance);
        System.out.println(instance1);
    

 输出如下，两个 instance内存地址明显不同

2、反射破坏双重懒汉式单例--破坏私有无参构造器，加锁也破坏

/**
 * 6、懒汉式-双重检查（线程安全;常用）
 *
 * 2、反射破坏双重懒汉式单例--破坏私有无参构造器，加锁也破坏
 */
public class Lazy4Reflect1 
    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new构造方法创建实例
    private Lazy4Reflect1() 
        synchronized (Lazy4Reflect1.class)
            if (singleton != null)
                throw new RuntimeException("不要使用反射破坏异常");
            
        
    

    // 2、声明类成员变量singleton
    private static Lazy4Reflect1 singleton;
    //private static boolean isReflect = false;

    // 3、对外获取实例的方法，先判断singleton是否为空，为空则创建
    public static Lazy4Reflect1 getInstance()
        if (singleton == null)
            synchronized (Lazy4Reflect1.class)
                if (singleton == null)
                    /* 有可能 非原子性操作
                     * 1、分配内存空间
                     * 2、执行构造方法，初始化对象
                     * 3、把这个对象指向这个空间
                     *
                     * 123
                     * 132 ；此时lazyMan还没有完成构造，报出空指针异常
                     */
                    singleton = new Lazy4Reflect1();
                
            
        
        return singleton;
    


class Test1 
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException 
        // 反射破坏单例
        //Lazy4Reflect1 instance = Lazy4Reflect1.getInstance();
        Constructor<Lazy4Reflect1> constructor = Lazy4Reflect1.class.getDeclaredConstructor(null);

        // 忽略私有构造器
        constructor.setAccessible(true);

        // 两个对象都不经过 getInstance()创建，反射拿到
        Lazy4Reflect1 instance = constructor.newInstance();
        Lazy4Reflect1 instance1 = constructor.newInstance();

        System.out.println(instance);
        System.out.println(instance1);
    

3、反射破坏双重懒汉式单例--破坏私有无参构造器，加锁，加标志位也破坏

/**
 * 6、懒汉式-双重检查（线程安全;常用）
 *
 * 3、反射破坏双重懒汉式单例--破坏私有无参构造器，加锁，加标志位也破坏
 */
public class Lazy4Reflect2 
    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new构造方法创建实例
    private Lazy4Reflect2() 
        synchronized (Lazy4Reflect2.class)
            if (isReflect = false)
                isReflect = true;
            else 
                throw new RuntimeException("不要使用反射破坏异常");
            
        
    

    // 2、声明类成员变量singleton
    private static Lazy4Reflect2 singleton;
    private static boolean isReflect = false;

    // 3、对外获取实例的方法，先判断singleton是否为空，为空则创建
    public static Lazy4Reflect2 getInstance()
        if (singleton == null)
            synchronized (Lazy4Reflect2.class)
                if (singleton == null)
                    /* 有可能 非原子性操作
                     * 1、分配内存空间
                     * 2、执行构造方法，初始化对象
                     * 3、把这个对象指向这个空间
                     *
                     * 123
                     * 132 ；此时lazyMan还没有完成构造，报出空指针异常
                     */
                    singleton = new Lazy4Reflect2();
                
            
        
        return singleton;
    


class Test2 
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException, NoSuchFieldException 
        // 反射破坏单例
        Field isReflectField = Lazy4Reflect2.class.getDeclaredField("isReflect");
        isReflectField.setAccessible(true);

        //Lazy4Reflect1 instance = Lazy4Reflect1.getInstance();
        Constructor<Lazy4Reflect2> constructor = Lazy4Reflect2.class.getDeclaredConstructor(null);

        // 忽略私有构造器
        constructor.setAccessible(true);

        // 两个对象都不经过 getInstance()创建，反射拿到
        Lazy4Reflect2 instance = constructor.newInstance();
        isReflectField.set(instance,false);
        Lazy4Reflect2 instance1 = constructor.newInstance();

        System.out.println(instance);
        System.out.println(instance1);
    

七、静态内部类（线程安全；常用）

/**
 * 7、静态内部类（线程安全；常用）
 */
public class StaticInnerClass 
    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new
    private StaticInnerClass()

    

    // 2、一个静态内部类 创建实例
    private static class StaticInstance
        private static final StaticInnerClass INSTENCE  = new StaticInnerClass();
    

    // 3、直接调用静态内部类，返回instance
    public static StaticInnerClass getInstance()
        return StaticInstance.INSTENCE;
    

这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。

两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。

不同的地方在饿汉式方式是只要Singleton类被装载就会实例化，没有Lazy-Loading的作用，而静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化

类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的 

优点：线程安全，延迟加载，效率高

缺点： 可通过反射破坏单例模式 

反射破坏

/**
 * 7、静态内部类（线程安全；常用）
 * 
 * 可以通过反射破坏
 */
public class StaticInnerClass 
    // 1、将构造方法私有化，外部无法使用new
    private StaticInnerClass()

    

    // 2、一个静态内部类 创建实例
    private static class StaticInstance
        private static final StaticInnerClass INSTENCE  = new StaticInnerClass();
    

    // 3、直接调用静态内部类，返回instance
    public static StaticInnerClass getInstance()
        return StaticInstance.INSTENCE;
    



class TestStaticInner
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException 
        // 反射破坏单例
        StaticInnerClass instance = StaticInnerClass.getInstance();
        Constructor<StaticInnerClass> constructor = StaticInnerClass.class.getDeclaredConstructor(null);

        // 忽略私有构造器
        constructor.setAccessible(true);

        StaticInnerClass instance1 = constructor.newInstance();

        System.out.println(instance);
        System.out.println(instance1);
    

八、枚举（线程安全；可防止反序列化；强烈推荐！！！）

/**
 * 8、枚举（线程安全；可防止反序列化；强烈推荐！！！）
 */
public enum EnumSingleton 
    INSTANCE;

    public EnumSingleton getInstance()
        return INSTANCE;
    

优点：线程安全，不用担心反射破坏单例模式

缺点：枚举类占用内存多

构造器源码

public final class Constructor<T> extends Executable 
    @CallerSensitive
    public T newInstance(Object ... initargs)
        throws InstantiationException, IllegalAccessException,
               IllegalArgumentException, InvocationTargetException
    
        if (!override) 
            if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) 
                Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
                checkAccess(caller, clazz, null, modifiers);
            
        
        if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
            throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
        ConstructorAccessor ca = constructorAccessor;   // read volatile
        if (ca == null) 
            ca = acquireConstructorAccessor();
        
        @SuppressWarnings("unchecked")
        T inst = (T) ca.newInstance(initargs);
        return inst;
    

尝试使用反射破坏

/**
 * 8、枚举（线程安全；可防止反序列化；强烈推荐！！！）
 */
public enum EnumSingleton 
    INSTANCE;

    public EnumSingleton getInstance()
        return INSTANCE;
    


class TestEnumSingleton
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException 
        // 反射破坏单例
        EnumSingleton instance = EnumSingleton.INSTANCE;

        // java.lang.NoSuchMethodException
        //Constructor<EnumSingleton> constructor = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructor(null);

        // 注：通过 jad 反编译得到 有参构造
        Constructor<EnumSingleton> constructor = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);

        // 忽略私有构造器
        constructor.setAccessible(true);

        // java.lang.NoSuchMethodException
        EnumSingleton instance1 = constructor.newInstance();

        System.out.println(instance);
        System.out.println(instance1);
    

通过 jad 反编译得到 有参构造 

  

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单例模式分为懒汉式、饿汉式、饿汉式同步锁、双重校验锁、静态内部类、枚举类，每一种都有自己的优缺点，可以根据自己的项目实际需要选择适合的单例模式