Java单例模式
LL.LEBRON 人气:00.概述
为什么要使用单例模式？
在我们的系统中，有一些对象其实我们只需要一个，比如说：线程池、缓存、对话框、注册表、日志对象、充当打印机、显卡等设备驱动程序的对象。事实上，这一类对象只能有一个实例，如果制造出多个实例就可能会导致一些问题的产生，比如：程序的行为异常、资源使用过量、或者不一致性的结果。因此这里需要用到单例模式
使用单例模式的好处？
对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间，这对于那些重量级对象而言，是非常可观的一笔系统开销
由于new 操作的次数减少，因而对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻 GC 压力，缩短 GC 停顿时间
1.饿汉式
1.1 饿汉式单例实现
实例会提前创建：
/**
* 饿汉式
*
* @author xppll
* @date 2021/12/24 21:21
*/
public class Singleton1 implements Serializable {
//构造私有
private Singleton1() {
System.out.println("private Singleton1()");
}
//唯一实例
private static final Singleton1 INSTANCE = new Singleton1();
//获得实例方法
public static Singleton1 getINSTANCE() {
return INSTANCE;
}
//其他方法
public static void otherMethod() {
System.out.println("otherMethod()");
}
}
测试：
/**
* @author xppll
* @date 2021/12/24 21:28
*/
public class TestSingleton {
public static void main(String[] args) {
//触发Singleton1类的初始化，会为类的静态变量赋予正确的初始值，单例对象就会被创建！
Singleton1.otherMethod();
System.out.println("-----------------------------------");
System.out.println(Singleton1.getINSTANCE());
System.out.println(Singleton1.getINSTANCE());
}
}
//输出：
private Singleton1()
otherMethod()
-----------------------------------
singleton.Singleton1@10bedb4
singleton.Singleton1@10bedb4
1.2 破坏单例的几种情况
1.反射破坏单例
2.反序列化破坏单例
3.Unsafe破坏单例
演示：
/**
* @author xppll
* @date 2021/12/24 21:28
*/
public class TestSingleton {
public static void main(String[] args) throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException, ClassNotFoundException {
//触发Singleton1类的初始化，会为类的静态变量赋予正确的初始值，单例对象就会被创建！
Singleton1.otherMethod();
System.out.println("-----------------------------------");
System.out.println(Singleton1.getINSTANCE());
System.out.println(Singleton1.getINSTANCE());
//反射破坏单例
reflection(Singleton1.class);
//反序列化破坏单例
serializable(Singleton1.getINSTANCE());
//Unsafe破坏单例
unsafe(Singleton1.class);
}
//反射破坏单例
private static void reflection(Class<?> clazz) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
//得到无参
Constructor<?> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
//将此对象的 accessible 标志设置为指示的布尔值,即设置其可访问性
constructor.setAccessible(true);
//创建实例
System.out.println("反射创建实例：" + constructor.newInstance());
}
//反序列化破坏单例
private static void serializable(Object instance) throws IOException, ClassNotFoundException {
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
//序列化
oos.writeObject(instance);
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()));
//反序列化
System.out.println("反序列化创建示例：" + ois.readObject());
}
//Unsafe破坏单例
private static void unsafe(Class<?> clazz) throws InstantiationException {
Object o = UnsafeUtils.getUnsafe().allocateInstance(clazz);
System.out.println("Unsafe 创建实例：" + o);
}
}
结果：
可以看出三种方式都会破坏单例！
1.3 预防单例的破坏
预防反射破坏单例
在构造方法中加个判断即可：
//构造私有
private Singleton1() {
//防止反射破坏单例
if(INSTANCE!=null){
throw new RuntimeException("单例对象不能重复创建");
}
System.out.println("private Singleton1()");
}
预防反序列化破坏单例
在Singleton1()中重写readResolve方法：
//重写这个方法，如果序列化了，就会返回这个，不会返回反序列化的对象
public Object readResolve(){
return INSTANCE;
}
Unsafe破坏单例无法预防
2.枚举饿汉式
2.1 枚举单例实现
枚举实现单例：
/**
* 枚举实现单例
*
* @author xppll
* @date 2021/12/24 22:23
*/
public enum Singleton2 {
INSTANCE;
//枚举的构造方法默认是private的,可以不写
Singleton2() {
System.out.println("private Singleton2()");
}
//重写toString方法
@Override
public String toString() {
return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
}
//获得实例方法（这个可以不要，枚举变量都是public的）
public static Singleton2 getInstance() {
return INSTANCE;
}
//其他方法
public static void otherMethod() {
System.out.println("otherMethod()");
}
}
测试：
/**
* @author xppll
* @date 2021/12/24 21:28
*/
public class TestSingleton {
public static void main(String[] args) throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException, ClassNotFoundException {
//触发Singleton2类的初始化，会为类的静态变量赋予正确的初始值，单例对象就会被创建！
Singleton2.otherMethod();
System.out.println("-----------------------------------");
System.out.println(Singleton2.getInstance());
System.out.println(Singleton2.getInstance());
}
}
//输出：
private Singleton2()
otherMethod()
-----------------------------------
singleton.Singleton2@2de80c
singleton.Singleton2@2de80c
可以看出当调用otherMethod()时，就会触发类的加载，枚举对象就会创建，所以枚举实现单例是饿汉式的
2.2 破坏单例
枚举类实现单例的好处：
1.反序列化无法破坏枚举单例
2.反射无法破坏枚举单例
栗子：
需要先修改反射破坏代码，枚举需要有参构造
public class TestSingleton {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Singleton5.otherMethod();
System.out.println(">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
System.out.println(Singleton5.getInstance());
System.out.println(Singleton5.getInstance());
//反序列化破坏单例
serializable(Singleton2.getInstance());
//Unsafe破坏单例
unsafe(Singleton2.class);
//反射破坏单例
reflection(Singleton2.class);
}
private static void unsafe(Class<?> clazz) throws InstantiationException {
Object o = UnsafeUtils.getUnsafe().allocateInstance(clazz);
System.out.println("Unsafe 创建实例:" + o);
}
private static void serializable(Object instance) throws IOException, ClassNotFoundException {
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
oos.writeObject(instance);
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()));
System.out.println("反序列化创建实例:" + ois.readObject());
}
private static void reflection(Class<?> clazz) throws NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, InvocationTargetException {
Constructor<?> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
constructor.setAccessible(true);
System.out.println("反射创建实例:" + constructor.newInstance());
}
}
结果：
可以看出
1.反射是无法创建枚举对象！无法破坏枚举单例
2.反序列化也不会破坏枚举单例！
3.Unsafe依然会破坏！
3.懒汉式
实现代码如下：
/**
* 懒汉式
*
* @author xppll
* @date 2021/12/25 08:34
*/
public class Singleton3 implements Serializable {
//构造私有
private Singleton3() {
System.out.println("private Singleton3()");
}
//唯一实例
private static Singleton3 INSTANCE = null;
public static Singleton3 getInstance() {
//第一次调用的时候才创建
if (INSTANCE == null) {
INSTANCE = new Singleton3();
}
return INSTANCE;
}
//其他方法
public static void otherMethod() {
System.out.println("otherMethod()");
}
}
测试：
/**
* @author xppll
* @date 2021/12/24 21:28
*/
public class TestSingleton {
public static void main(String[] args) throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException, ClassNotFoundException {
Singleton3.otherMethod();
System.out.println("-----------------------------------");
System.out.println(Singleton3.getInstance());
System.out.println(Singleton3.getInstance());
}
}
结果：
可以看出只有在第一次调用getInstance()时才会创建唯一的单例对象，因此是懒汉式的。
但是这种方式在多线程环境下是会有问题的，可能多个线程会同时执行INSTANCE = new Singleton3();。因此这里需要在getInstance()方法上加上synchronized关键字保证多线程下的正确性：
public static synchronized Singleton3 getInstance() {
//第一次调用的时候才创建
if (INSTANCE == null) {
INSTANCE = new Singleton3();
}
return INSTANCE;
}
但是这种方法是有问题的，第一次创建完对象后，以后的操作是不需要在加锁的，所以这种方式会影响性能！
我们的目标应该是第一次创建单例的时候给予保护，后续操作则不需要加锁保护！
4.双检锁懒汉式
针对上面的问题，这里给出第四种方法双检锁懒汉式进行优化：
/**
* 双检锁懒汉式
*
* @author xppll
* @date 2021/12/25 08:53
*/
public class Singleton4 {
//构造私有
private Singleton4() {
System.out.println("private Singleton4()");
}
//唯一实例
//这里volatile的作用是保证共享变量有序性！
private static volatile Singleton4 INSTANCE = null;
//双检锁优化
public static synchronized Singleton4 getInstance() {
//实例没创建，才会进入内部的 synchronized 代码块,提高性能，防止每次都加锁
if (INSTANCE == null) {
//可能第一个线程在synchronized 代码块还没创建完对象时，第二个线程已经到了这一步，所以里面还需要加上判断
synchronized (Singleton4.class) {
//也许有其他线程已经创建实例，所以再判断一次
if (INSTANCE == null) {
INSTANCE = new Singleton4();
}
}
}
return INSTANCE;
}
//其他方法
public static void otherMethod() {
System.out.println("otherMethod()");
}
}
5.内部类懒汉式
内部类懒汉式单例实现：
/**
* 内部类懒汉式
*
* @author xppll
* @date 2021/12/25 09:24
*/
public class Singleton5 {
//构造私有
private Singleton5() {
System.out.println("private Singleton5()");
}
//静态内部类实现懒汉式单例，静态变量的创建会放在静态代码块里执行，jvm会保证其线程安全
//只有第一次用到内部类时，才会初始化创建单例
private static class Holder {
static Singleton5 INSTANCE = new Singleton5();
}
//获得实例方法
public static Singleton5 getInstance() {
return Holder.INSTANCE;
}
//其他方法
public static void otherMethod() {
System.out.println("otherMethod()");
}
}
测试：
/**
* @author xppll
* @date 2021/12/24 21:28
*/
public class TestSingleton {
public static void main(String[] args) throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException, ClassNotFoundException {
Singleton5.otherMethod();
System.out.println("-----------------------------------");
System.out.println(Singleton5.getInstance());
System.out.println(Singleton5.getInstance());
}
}
结果：
可以看出内部类实现单例也是懒汉式的！
6.JDK中单例的体现
Runtime 体现了饿汉式单例
System类下的Console 体现了双检锁懒汉式单例
Collections 中的 EmptyNavigableSet内部类懒汉式单例
Collections 中的ReverseComparator.REVERSE_ORDER 内部类懒汉式单例
Comparators.NaturalOrderComparator.INSTANCE 枚举饿汉式单例
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