单例模式的介绍和用法

本篇内容主要讲解“单例模式的介绍和用法”，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习“单例模式的介绍和用法”吧!

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问题

1、说说单例模式的特点?

2、你知道单例模式的具体使用场景吗?

3、单例模式常见写法有几种?

4、怎么样保证线程安全?

5、怎么不会被反射攻击?

6、怎样保证不会被序列化和反序列化的攻击?

7、枚举为什么会不会被序列化?

定义

单例模式(Singleton Pattern)是 Java  中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个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。

特点：

• 1、单例类只能有一个实例。

• 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。

• 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例

• 4、隐藏所有的构造方法

**目的：**保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

案例：一家企业只能有一个CEO，有多个了其实乱套了。

使用场景

需要确保任何情况下都绝对只有一个实例。

比如：ServletContext、ServletConfig、ApplicationContext、DBTool等，都使用到了单列模式。

单例模式的写法

• 饿汉式

• 懒汉式(包含双重检查锁、静态内部类)

• 注册式(以枚举为例)

饿汉式

从名字上就能看出，饿汉：饿了就得先吃饱，所以，一开始就搞定了。

饿汉式主要是使用了static，饿汉式也有两种写法，但本质可以理解为是一样的。

public class HungrySingleton{      private static final HungrySingleton INSTANCE;     static {         INSTANCE=new HungrySingleton();     } //    private static final HungrySingleton INSTANCE=new HungrySingleton();     private HungrySingleton(){      }      public static HungrySingleton getInstance(){         return INSTANCE;     } }

饿汉式有个致命的缺点：浪费空间，不需要也实例化。如果是成千上万个，也这么玩，想想有多恐怖。

于是，就会想到，能不能在使用的时候在实例化，从而引出了懒汉式。

懒汉式

顾名思义，就是需要的时候再创建，因为懒，你不调用我方法，我是不会干活的。

下面是懒汉式的Java代码实现：

public class LazySingleton {      private static LazySingleton lazySingleton = null;      private LazySingleton() {     }      public static LazySingleton getInstance() {         if (lazySingleton == null) {//01             lazySingleton = new LazySingleton();//02         }         return lazySingleton;     }  }

进入getInstance方法，先判断lazySingleton是否为空，为空，则创建一个对象，然后返回此对象。

但是，问题来了：

两个线程同时进入getInstance方法，然后都去执行01这行代码，都是true，然后各自进去创建一个对象，然后返回自己创建的对象。

这岂不是不满足只有唯一 一个对象的了吗?所以这类存在线程安全的问题，那怎么解决呢?

第一印象肯定都是想到加锁。于是，就有了下面的线程安全的懒加载版本：

public class LazySingleton {      private static LazySingleton lazySingleton = null;      private LazySingleton() {     }      //简单粗暴的线程安全问题解决方案     //依然存在性能问题   public synchronized static LazySingleton getInstance() {         if (lazySingleton == null) {             lazySingleton = new LazySingleton();         }         return lazySingleton;     } }

给getInstance方法加锁同步锁标志synchronized，但是又涉及到锁的问题了，同步锁是对系统性能优影响的，尽管JDK1.6后，对其做了优化，但它毕竟还是涉及到锁的开销。

每个线程调用getInstance方法时候，都会涉及到锁，所以又对此进行了优化成为了大家耳熟能详的双重检查锁。

双重检查锁

代码实现如下：

public class LazyDoubleCheckSingleton {      private static LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null;      private LazyDoubleCheckSingleton() {     }      public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {         if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {//01             synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {                 if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {//02                     lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();                 }             }         }         return lazyDoubleCheckSingleton;     }  }

这段代码中，在01行，如果不为空，就直接返回，这是第一次检查。如果为空，则进入同步代码块，02行又进行一次检查。

双重检查就是现实if判断、获取类对象锁、if判断。

上面这段代码，看似没问题，其实还是有问题的，比如：指令重排序(需要有JVM知识垫底哈)

指令重排是什么意思呢?

比如java中简单的一句

lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();

会被编译器编译成如下JVM指令：

memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间

ctorInstance(memory); //2：初始化对象

instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址

但是这些指令顺序并非一成不变，有可能会经过JVM和CPU的优化，指令重排成下面的顺序：

memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间

instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址

ctorInstance(memory); //2：初始化对象

为了防止指令重排序，所以，我们可以使用volatile来做文章(注意：volatile能防止指令重排序和线程可见性)。

于是，更好的版本就出来了。

public class LazyDoubleCheckSingleton {     //使用volatile修饰     private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null;      private LazyDoubleCheckSingleton() {     }      public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {         if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {             synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {                 if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {                     lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();                 }             }         }         return lazyDoubleCheckSingleton;     } }

尽管相比前面的版本，确实改进了很多，但依然有同步锁，还是会影响性能问题。于是，又进行优化为静态内部类方式：

静态内部类

下面是静态内部类的代码实现：

利用了内部类的特性，在JVM底层，能完美的规避了线程安全的问题，这种方式也是目前很多项目里喜欢使用的方式。

但是，还是会存在潜在的风险，什么风险呢?

可以使用 反射 暴力的串改，同样也会出现创建多个实例：

反射代码实现如下：

import java.lang.reflect.Constructor;  public class LazyStaticSingletonTest {     public static void main(String[] args) {         try {             Class clazz = LazyStaticSingleton.class;             Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);             //强行访问             constructor.setAccessible(true);             Object object = constructor.newInstance();              Object object1 = LazyStaticSingleton.getInstance();              System.out.println(object == object1);         } catch (Exception ex) {             ex.printStackTrace();         }     } }

这段代码运行结果为false。

所以，上面说的双重检查锁的方式，通过反射，还是会存在潜在的风险。怎么办呢?

在《Effect java 》这本书中，作者推荐使用枚举来实现单例模式，因为枚举不能被反射。

枚举

下面是枚举式的单例模式的代码实现：

public enum EnumSingleton {     INSTANCE;     private Object data;      public Object getData() {         return data;     }      public static EnumSingleton getInstance(){         return INSTANCE;     } }

我们把上面反射的那个代码，来测试这个枚举式单例模式。

public class EnumTest {     public static void main(String[] args) {         try {             Class clazz = EnumSingleton.class;             Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);             //强行访问             constructor.setAccessible(true);             Object object = constructor.newInstance();              Object object1 = EnumSingleton.getInstance();              System.out.println(object == object1);         } catch (Exception ex) {             ex.printStackTrace();         }     } }

运行这段代码：

java.lang.NoSuchMethodException: com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.EnumSingleton.()  at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:3082)  at java.lang.Class.getDeclaredConstructor(Class.java:2178)  at com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.EnumTest.main(EnumTest.java:41)

还真的不能用反射来搞。如果此时面试官，为什么枚举不能被反射呢?

为什么枚举不能被反射呢?

我们在反射的代码中

Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);

这行代码是获取他的无参构造方法。并且，从错误日志中，我们也可以看到，错误出现就是在getConstructor0方法中，并且，提示的是没有找到无参构造方法。

很奇怪，枚举也是类，不是说如果我们不给类显示定义构造方法时候，会默认给我们创建一个无参构造方法吗?

于是，我想到了一个办法，我们可以使用jad这个工具去反编译的我们的枚举式单例的.class文件。

找到我们的class文件所在目录，然后我们可以执行下面这个命令：

C:\Users\Administrator>jad D:\workspace\my_code\other-local-demo\target\classes com\tian\my_code\test\designpattern\singleton\EnumSingleton.class Parsing D:\workspace\my_code\other-local-demo\target\classes\com\tian\my_code\t st\designpattern\singleton\EnumSingleton.class... Generating EnumSingleton.jad

注意：class文件目录以及生成的jad文件所在的目录。

然后打开EnumSingleton.jad 文件：

于是，我就想到了，那我们使用有参构造方法来创建：

public class EnumTest {     public static void main(String[] args) {         try {             Class clazz = EnumSingleton.class;              Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);             //强行访问             constructor.setAccessible(true);             Object object = constructor.newInstance("田维常",996);              Object object1 = EnumSingleton.getInstance();              System.out.println(object == object1);         } catch (Exception ex) {             ex.printStackTrace();         }     } }

再次运行这段代码，结果：

java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects  at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417)  at com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.EnumTest.main(EnumTest.java:45)

提示很明显了，就是不让我们使用反射的方式创建枚举对象。

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);          }      }      //Modifier.ENUM就是用来判断是否为枚举的      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;  }

所以，到此，我们才算真正的理清楚了，为什么枚举不让反射的原因。

序列化破坏

我们以非线程安全的饿汉式来演示一下，看看序列化是如何破坏到了模式的。

public class ReflectTest {      public static void main(String[] args) {         // 准备两个对象，singleton1接收从输入流中反序列化的实例         HungrySingleton singleton1 = null;         HungrySingleton singleton2 = HungrySingleton.getInstance();         try {             // 序列化             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("HungrySingleton.txt");             ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);             oos.writeObject(singleton2);             oos.flush();             oos.close();              // 反序列化             FileInputStream fis = new FileInputStream("HungrySingleton.txt");             ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);             singleton1 = (HungrySingleton) ois.readObject();             ois.close();              System.out.println(singleton1);             System.out.println(singleton2);                          System.out.println(singleton1 == singleton2);          } catch (Exception e) {             e.printStackTrace();         }     } }

运行结果：

com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.HungrySingleton@7e6cbb7a com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.HungrySingleton@452b3a41 false

看到了吗?

使用序列化是可以破坏到了模式的，这种方式，可能很多人不是很清楚。

如何防止呢?

我们对非线程安全的饿汉式代码进行稍微修改：

public class HungrySingleton implements Serializable{      private static final HungrySingleton INSTANCE;     static {         INSTANCE=new HungrySingleton();     }      private HungrySingleton(){      }      public static HungrySingleton getInstance(){         return INSTANCE;     }     //添加了readResolve方法，并返回INSTANCE     private Object readResolve方法，并返回(){         return INSTANCE;     } }

再次运行上那段序列化测试的代码，其结果如下：

com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.HungrySingleton@452b3a41 com.tian.my_code.test.designpattern.singleton.HungrySingleton@452b3a41 true

嘿嘿，这样我们是不是就避免了只创建了一个实例?

答案：否

在类ObjectInputStream的readObject()方法中调用了另外一个方法readObject0(false)方法。在readObject0(false)方法中调用了checkResolve(readOrdinaryObject(unshared))方法。

在readOrdinaryObject方法中有这么一段代码：

Object obj; try {       //是否有构造方法，有构造放就创建实例       obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;  } catch (Exception ex) {  ...   } //判断单例类是否有readResolve方法 if (desc.hasReadResolveMethod()) {     Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);  }  //invokeReadResolve方法中 if (readResolveMethod != null) {      //调用了我们单例类中的readResolve，并返回该方法返回的对象     //注意：是无参方法      return readResolveMethod.invoke(obj, (Object[]) null); }

绕了半天，原来他是这么玩的，上来就先创建一个实例，然后再去检查我们的单例类是否有readResolve无参方法，我们单例类中的readResolve方法

private Object readResolve(){         return INSTANCE; }

结论

我们重写了readResolve()无参方法，表面上看是只创建了一个实例，其实只创建了两个实例。

紧接着，面试官继续问：枚举式单例能不能被序列化破坏呢?

枚举式单例能不能被序列化破坏呢?

答案：不能被破坏，请看我慢慢给你道来。

don't talk ,show me the code。

我们先来验证一下是否真的不能被破坏，请看代码：

public class EnumTest {      public static void main(String[] args) {         // 准备两个对象，singleton1接收从输入流中反序列化的实例         EnumSingleton singleton1 = null;         EnumSingleton singleton2 = EnumSingleton.getInstance();         try {             // 序列化             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("EnumSingleton.obj");             ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);             oos.writeObject(singleton2);             oos.flush();             oos.close();              // 反序列化             FileInputStream fis = new FileInputStream("EnumSingleton.obj");             ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);             singleton1 = (EnumSingleton) ois.readObject();             ois.close();              System.out.println(singleton1);             System.out.println(singleton2);              System.out.println(singleton1 == singleton2);          } catch (Exception e) {             e.printStackTrace();         }     } }

运行结果：

INSTANCE INSTANCE true

确实，枚举式单例是不会被序列化所破坏，那为什么呢?总得有个证件理由吧。

在类ObjectInputStream的readObject()方法中调用了另外一个方法readObject0(false)方法。在readObject0(false)方法中调用了checkResolve(readOrdinaryObject(unshared))方法。

case TC_ENUM:    return checkResolve(readEnum(unshared));

在readEnum方法中

private Enum readEnum(boolean unshared) throws IOException {         if (bin.readByte() != TC_ENUM) {             throw new InternalError();         }         Class cl = desc.forClass();         if (cl != null) {             try {                 @SuppressWarnings("unchecked")                 //重点                 Enum en = Enum.valueOf((Class)cl, name);                 result = en;                 //...其他代码省略             }         } } public static > T valueOf(Class enumType,                                                 String name) {        //enumType.enumConstantDirectory()返回的是一个HashMap        //通过HashMap的get方法获取         T result = enumType.enumConstantDirectory().get(name);         if (result != null)             return result;         if (name == null)             throw new NullPointerException("Name is null");         throw new IllegalArgumentException(             "No enum constant " + enumType.getCanonicalName() + "." + name); } //返回一个HashMap  Map enumConstantDirectory() {         if (enumConstantDirectory == null) {             T[] universe = getEnumConstantsShared();             if (universe == null)                 throw new IllegalArgumentException(                     getName() + " is not an enum type");             //使用的是HashMap             Map m = new HashMap<>(2 * universe.length);             for (T constant : universe)                 m.put(((Enum)constant).name(), constant);             enumConstantDirectory = m;         }         return enumConstantDirectory; }

所以，枚举式单例模式是使用了Map

在Spring中也是有大量使用这种注册式单例模式，IOC容器就是典型的代表。

总结

本文讲述了单例模式的定义、单例模式常规写法。单例模式线程安全问题的解决，反射破坏、反序列化破坏等。

注意：不要为了套用设计模式，而使用设计模式。而是要，在业务上遇到问题时，很自然地联想单设计模式作为一种捷径方法。

单例模式的优缺点

优点

在内存中只有一个实例，减少内存开销。可以避免对资源的多重占用。设置全局访问点，严格控制访问。

缺点

没有借口，扩展性很差。如果要扩展单例对象，只有修改代码，没有其他途径。

单例模式是 不符合开闭原则的。

到此，相信大家对“单例模式的介绍和用法”有了更深的了解，不妨来实际操作一番吧！这里是创新互联网站，更多相关内容可以进入相关频道进行查询，关注我们，继续学习！