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深入探讨单例模式

yxming 人气:1

最近学习了一下单例模式,看bilibili up主“狂神说Java”讲完后,发现大部分博客都少了一个很有趣的环节,不分享出来实在是太可惜了,原视频 https://www.bilibili.com/video/BV1K54y197iS

1、了解单例

这个部分小部分我相信很多博客都讲的很好,我就尽量精简了
  1. 注意:
  • 单例类只能有一个实例
  • 这个实例由自己创建
  • 这个实例必须提供给外界
  1. 关键:构造器私有化
  2. 创建方法:
  • 饿汉式
  • 懒汉式

总结:我认为创建方法可以归根于两种,一种是饿汉式,我在类的加载的时候就创建;还有一种懒汉式,只有在我需要的时候才去创建

2、思路及实现

【饿汉模式最基本的实现】

在类加载的时候就已经创建了,这个模式下,线程是安全的,不同的线程拿到的都是同一个实例,但是,这个也存在空间浪费的问题,我不需要的时候你也加载了。

//饿汉模式
 public class HungerSingle {
    private static HungerSingle single = new HungerSingle();
    //构造器私有,外界不能通过构造方法new对象,保证唯一
    private HungerSingle() {
    }
    //提供外界获得该单例的方法,注意方法只能是static方法,因为没有类实例
    public static HungerSingle getInstance(){
        return single;
    }
}

【懒汉模式最基本的实现】

为了解决上述那个空间浪费问题,这时候懒汉模式就起作用了,你需要我的时候我再去创建这个实例

//懒汉模式
public class LazySingle {
    private static LazySingle single;
    //构造器私有化,禁止外部new生成对象
    private LazySingle(){
    }
    //外界获得该单例的方法
    public static LazySingle getInstance(){
        if(single == null){
            single = new LazySingle();
        }
        return single;
    }
 }

一位热心前辈的评论:“像你这样写单例,在我们公司是要被开除的。”
趁我还是学生,怀着以后不被开除的心情,继续学习下去
原来懒汉模式下,单例线程是不安全的。

怎么测试呢?如下

【测试懒汉模式线程不安全】

//1、构造器
private LazySingle(){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}

//创建十个线程
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    new Thread(()->{
         Singleton2.getInstance();
    }).start();
}

此时你会发现,构造方法调用了不止一次,说明没有实现预期的单例

平时我们解决线程不安全的方法:不就是线程不安全嘛,那好办,加锁

【双重检测锁/DCL】

public class DCLSingle {
    private static DCLSingle single;
    private DCLSingle(){
    }
    public static DCLSingle getInstance(){
        //第一次判断,没有这个对象才加锁
        if(single == null){
            //哪个需要保护,就锁哪个
            synchronized (DCLSingle.class){
                //第二次判断,没有就实例化
                if(single == null){
                    single = new DCLSingle();
                }
            }
        }
        return single;
    }

}

仔细和别人代码一比对,发现我少了个volatile关键字,这是啥玩意?
不懂就问。

【volatile】
为了避免指令重排

//上述代码声明上面加上volatile关键字
 private volatile static DCLSingle single;

啥是volatile ?

引用自别人博客
https://www.cnblogs.com/YLsY/p/11295732.html

加volatile是为了出现脏读的出现,保证操作的原子性

1、原子性操作:不可再分割的操作
例如:single = new DCLSingle();
其实就是两步操作:
①new DCLSingle();//开辟堆内存
②singl指向对内存

2、脏读
Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中,每个线程都有自己的工作内存。
线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行,而不能直接对主存进行操作。
并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
变量的值何时从线程的工作内存写回主存,无法确定。

3、指令重排
single = new DCLSingle();
先执行②
后执行①
//先指向堆内存,还未完成构造


【模拟情况】
①线程1执行,在自己的工作内存定义引用,先指向堆内存,还未构造完成
②此时线程2执行,它进行判断,引用已经指向了内存,所以线程2,认为构造完成,实际还未构造完成

还有一种差点忘记说了,也是菜鸟教程说建议使用的方式

【静态内部类实现单例】

public class Singleton {
    private Singleton(){}
    private static class SingleIN{
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton getInstance(){
        return SingleIN.INSTANCE;
    }
}

你会发现它和前面讲的普通饿汉式很像,我把它也归于饿汉式一类,因为它也是直接就new Singleton,但是它却有着懒加载的效果,而这种方式是 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有通过显式调用 getInstance 方法时,才会显式装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。

【建议】建议使用静态内部类实现


## 3、如何破化单例(其它大部分博客没有的内容) 在这里感谢b站up【狂神说java】

在面试官面前装逼的时候来了

java语言实现动态化的灵魂——反射,说:没有什么是我不能改变的,看我来如何操作。

【反射破坏单例】

public class DCLSingle {
    private static DCLSingle single;
    private DCLSingle(){
    }
    public static DCLSingle getInstance(){
        //第一次判断,没有这个对象才加锁
        if(single == null){
            //哪个需要保护,就锁哪个
            synchronized (DCLSingle.class){
                //第二次判断,没有就实例化
                if(single == null){
                    single = new DCLSingle();
                }
            }
        }
        return single;
    }
    
    //通过反射破化单例
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        LazySingle single = LazySingle.getInstance();
        Constructor<LazySingle> constructor = LazySingle.class.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true);
        LazySingle single1 = constructor.newInstance();
        System.out.println(single == single1);//false
    }

}

得到单例类的构造器,然后通过newInstance的方法创建对象,很明显破化了单例

【改进代码,防止你搞破化】

既然这次你是通过得到构造器破化的,那我给构造器加个方法,如果你已经创建了实例,那就抛出异常

private LazySingle(){
    synchronized(LazySingle.class){
        if(single!=null){
            throw new RuntimeException("破坏失败");
        }
    }
}

但是这个又有问题,这里的判断是private static DCLSingle single 是否有值,如果我们都不通过getInstance()方法创建对象,而是这样

public static void main(String[] args) throws Exception {
 //   LazySingle single = LazySingle.getInstance();
    Constructor<LazySingle> constructor = LazySingle.class.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    
    //注意:这里的对象不是单例类中里面属性的那个对象
    LazySingle single = constructor.newInstance();
    LazySingle single1 = constructor.newInstance();
    System.out.println(single == single1);//false
}

这里根本不会抛出异常,而是又破坏了单例

【继续改进代码,防止搞破化】
简直就是相爱相杀呀,我们可以利用红路灯原理,防止破化
改进构造方法

//加个标志
private static String sign = "password";
private LazySingle(){
    synchronized(LazySingle.class){
        if(single!=null || !"password".equals(sign)){
            throw new RuntimeException("破坏失败");
        }else{
            sign = "no";
        }
    }
    
}

此刻你通过上述main()方法里面的内容测试,发现又会抛出异常。然而我们能通过反射获得构造方法,那我们同样也能通过反射获取对象的属性以及值吧

【再度破化】

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Constructor<LazySingle> constructor = LazySingle.class.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Field field = LazySingle.class.getDeclaredField("sign");
    //此处省略通过反射获取该属性的类型和方法....
    LazySingle single1 = constructor.newInstance();
    //重新变回原标志位
    field.set("sign","password");
    LazySingle single2 = constructor.newInstance();
    System.out.println(single2 == single1);//false
}

又被破化了

【再次改进】

我们将目光抛向枚举,
jdk1.5之后,出现枚举
利用枚举实现不仅能避免多线程同步问题,而且还自动支持序列化机制,防止反序列化重新创建新的对象,绝对防止多次实例化(菜鸟教程官方术语)

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public Singleton getInstance() {  
        return INSTANCE
    }  
}

【反射能破化枚举的单例吗?】

  1. 我们先要了解枚举是啥,它的底层是怎么实现的
  2. 我们会发现枚举本身就是一个
  3. 通过反编译工具,查看枚举底层的构造方法
  4. 通过反射获取构造方
  5. 重复上述测试

我们最终可以发现反射不能破化枚举的单例

这种实现方式还没有被广泛采用,但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁,自动支持序列化机制,绝对防止多次实例化。(菜鸟教程官方)

【总结】太难了

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