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面向对象设计模式--单例模式详解+实际应用（Java）

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飞天葫芦侠

修改于 2023-03-22 21:15:34

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单例模式

保证了一个类只有一个实例，并且提供了一个全局访问点。单例模式的主要作用是节省公共资源，方便控制，避免多个实例造成的问题。

实现单例模式的三点：

私有构造函数
私有静态变量维护对象实例
公有静态方法提供获取实例对象

七种单例模式实现

1.静态类：第一次运行初始化，全局使用

2.懒汉模式（线程不安全）：懒汉模式是指在第一次获取实例时才创建对象，实现了延迟加载，构造函数返回当前对象实例，但多个访问者同时获取对象实例，就会有多个同样的实例并存，不满足单例

public class LazySingleton {
    // 私有化构造器
    private LazySingleton() {}

    // 定义一个静态变量存储唯一的LazySingleton对象
    private static LazySingleton instance = null;

    // 提供一个公共的静态方法获取LazySingleton对象
    public static LazySingleton getInstance() {
        // 如果instance为空，则创建一个新的对象
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        // 返回instance对象
        return instance;
    }
}

懒汉模式（线程安全）：加锁，保证线程安全，但是锁占用，导致资源浪费

3.饿汉模式（线程安全）：与第一种方式基本一致，在程序启动时直接运行加载，但是可能造成资源浪费。

public class HungrySingleton {
    // 私有化构造器
    private HungrySingleton() {}

    // 定义一个静态变量存储唯一的HungrySingleton对象，并且直接初始化
    private static HungrySingleton instance = new HungrySingleton();

    // 提供一个公共的静态方法获取HungrySingleton对象
    public static HungrySingleton getInstance() {
        // 直接返回instance对象
        return instance;
    }
}

4.使用类的静态内部类：既保证线程安全，又保证懒汉模式，没有加锁影响性能（推荐）

public class SingletonInnerStatic {
    private static class SingletonHoler {
    // 静态初始化器，由JVM来保证线程安全
        private static SingletonInnerStatic instance = 
            new SingletonInnerStatic();
    }
    // 私有构造函数
    private SingletonInnerStatic() {
    }
    // 获取对象实例的方法
    public static SingletonInnerStatic getInstance() {
        return SingletonHoler.instance;
    }
}

5.双重锁校验：

public class SingletonDoubleCheck {
    // 类引用
    private static volatile SingletonDoubleCheck singletonDoubleCheck;
    // 构造函数私有化
    private SingletonDoubleCheck() {
    }
    // 双重校验 + 锁实现单例
    public static SingletonDoubleCheck getInstance() {
        // 第一次校验是否为null
        if (singletonDoubleCheck == null) {
            // 不为空则加锁
            synchronized (SingletonDoubleCheck.class) {
                // 第二次校验是否为null
                if (singletonDoubleCheck == null) {
                    singletonDoubleCheck = new SingletonDoubleCheck();
                }
            }
        }
        return singletonDoubleCheck;
    }
}

第一次校验是否为null:

主要是为了实现返回单例，避免多余的加锁操作，以及锁的等待和竞争，如果条件不成立就说明已经生成实例，直接返回即可，提高程序执行的效率。

第二次校验是否为null:

第二次校验是关键，这里防止了多线程创建多个实例（一般为两个），这里的特殊情况是这样的：在未创建实例的情况下，A线程和B线程都通过了第一次校验（singletonDoubleCheck为空）,这时如果通过竞争B线程拿到了锁就会执行一次new操作，生成一个实例，然后B执行完了A就会拿到资源的锁，如果没有第二次判断的话，这时A线程也会执行一次new操作，这里就出现了第二个类实例，违背了单例原则。所以说两次校验都是必不可少的。

提一下上述代码中类引用中的volatile关键字是不能少的：常见的，该关键字能够实现变量在内存中的可见性（告诉JVM在使用该关键字修饰的变量时在内存中取值，而不是用特定内存区域的副本，因为真实的值可能已经被修改过了），它的另外一种作用是防止JVM对指令进行重排。其实，在new一个对象的时候会有如下步骤（指令）： 1. 分配内存空间 2. 初始化引用 3. 将引用指向内存空间正常的逻辑肯定以为是这样执行的 1 -> 2 -> 3，但是偏偏JVM拥有指令重排的能力，所以说执行顺序是随机的，可能是 1 -> 3 -> 2，这样的话在多线程环境下可能会拿到空引用：线程A先执行了1,3步骤，紧接着线程B执行getInstance，发现不为null（这里的==是判断实际的值，即引用指向的内存空间），就会返回引用，然而此时引用未初始化。所以说volatile在这里保证指令的执行顺序，在多线程情况下不可少。

6.AtomicReference是一个支持原子操作的对象引用变量，它可以利用CAS（比较并交换）技术来保证线程安全和高效性。一个基本的AtomicReference单例的代码示例如下：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class Singleton {
    private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<>();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        for (;;) {
            Singleton singleton = INSTANCE.get();
            if (singleton != null) {
                return singleton;
            }
            singleton = new Singleton();
            if (INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) {
                return singleton;
            }
        }
    }
}

要使用这个单例，只需调用Singleton.getInstance()即可。

7.枚举类实现单例模式是一种简洁、安全、有效的方法，它可以防止反射和序列化攻击，保证线程安全和唯一性。一个基本的枚举单例的代码示例如下：

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void doSomething() {
        // ...
    }
}

要使用这个单例，只需调用Singleton.INSTANCE.doSomething()即可。

测试：

有以下几种方法可以测试单例的有效性，即是否能保证在多线程环境下，只有一个对象实例被创建和返回。：

使用反射机制，尝试创建多个单例对象，检查它们的内存地址是否相同。
使用序列化和反序列化机制，尝试创建多个单例对象，检查它们的内存地址是否相同。
使用多线程并发调用getInstance()方法，检查返回的对象是否都是同一个实例。
使用断言或者日志打印等方式，验证getInstance()方法返回的对象是否符合预期。

安全：

三种攻击方式：

反射攻击：利用jdk反射API，修改单例类构造函数的访问权限，然后调用构造函数；
序列化攻击：将单例对象实例以字节流的方式写入到文件中，然后再读取文件字节流，反序列化生成对象实例;
调用对象的克隆方法。

public class SingletonAtack {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //正常单例对象
        Singleton single1 = Singleton.getInstance();
        //1. 反射攻击
        Class clazz = Singleton.class;
        Constructor cons = clazz.getDeclaredConstructor(null);
        cons.setAccessible(true);
        Singleton single2 = (Singleton) cons.newInstance(null);
        //2. 序列化攻击
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("a.txt");
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
        oos.writeObject(single1);
        oos.flush();
        oos.close();
        FileInputStream fis = new FileInputStream("a.txt");
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
        Singleton single3 = (Singleton) ois.readObject();
        //3. clone攻击
        Singleton single4 = (Singleton) single1.clone();
    }
}

防止攻击代码示例：

防止反射攻击：在单例类的构造函数中添加判断逻辑，如果已经存在实例对象，就抛出异常。例如：

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    private Singleton() {
        // 防止反射攻击
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("单例模式不允许多个实例");
        }
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

防止序列化攻击：在单例类中实现readResolve方法，返回已有的实例对象。例如：

public class Singleton implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private static volatile Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    // 防止序列化攻击
    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return instance;
    }
}

防止克隆攻击：在单例类中重写clone方法，返回已有的实例对象。例如：

public class Singleton implements Cloneable{
    private static volatile Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

   // 防止克隆攻击
   @Override
   protected Object clone() throws CloneNotSupportedException{
       return instance;
   } 
}

场景：

数据库连接池：为了避免频繁地创建和销毁数据库连接，可以使用单例模式来管理数据库连接池，保证只有一个连接池对象存在。
配置文件读取器：为了提高配置文件的读取效率，可以使用单例模式来缓存配置文件的内容，保证只有一个配置文件读取器对象存在。
日志记录器：为了统一管理日志的输出和格式，可以使用单例模式来创建日志记录器对象，保证只有一个日志记录器对象存在。

单例模式应用示例代码：

日志对象，可以使用java.util.logging.Logger类来创建和获取单例的日志对象。例如：

public class LogTest {
    // 使用LogTest类的名称作为日志对象的标识符
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(LogTest.class.getName());

    public static void main(String[] args) {
        // 使用日志对象记录一条信息级别的消息
        logger.info("This is a log message");
    }
}

驱动对象，可以使用java.sql.DriverManager类来注册和获取单例的驱动对象。例如：

public class DriverTest {
    public static void main(String[] args) throws SQLException {
        // 注册MySQL驱动
        DriverManager.registerDriver(new com.mysql.jdbc.Driver());
        // 获取MySQL驱动实例
        Driver driver = DriverManager.getDriver("jdbc:mysql://localhost:3306/test");
        // 使用驱动实例连接数据库
        Connection conn = driver.connect("jdbc:mysql://localhost:3306/test", null);
    }
}

缓存对象，可以使用一个静态变量和一个私有构造器来实现单例的缓存对象。例如：

public class Cache {
    // 创建并初始化一个缓存实例作为静态变量
    private static final Cache INSTANCE = new Cache();
    // 创建一个Map用于存储键值对数据
    private Map<String, Object> data;

    // 私有化构造器，防止外部创建新的缓存实例
    private Cache() {
        data = new HashMap<>();
    }

    // 提供一个公共方法用于获取缓存实例
    public static Cache getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    // 提供一个公共方法用于向缓存中添加数据
    public void put(String key, Object value) {
        data.put(key, value);
    }

     // 提供一个公共方法用于从缓存中获取数据
     public Object get(String key) {
         return data.get(key);
     }
}

线程池对象，可以使用java.util.concurrent.Executors类来创建和获取单例的线程池对象。例如：

public class ThreadPoolTest {
   // 创建并初始化一个固定大小为10的线程池作为静态变量 
   private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

   public static void main(String[] args) {
      for (int i = 0; i < 20; i++) {
         // 向线程池提交20个任务，并由线程池分配给空闲线程执行 
         executor.execute(new Runnable() {
            @Override 
            public void run() { 
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running"); 
            } 
         }); 
      } 
      // 关闭线程池，不再接受新任务，并等待已提交任务完成后退出 
      executor.shutdown(); 
   } 
}

Runtime对象，可以使用java.lang.Runtime类的getRuntime方法来获取单例的Runtime对象。例如：

public class RuntimeTest { 
   public static void main(String[] args) throws IOException{ 
      // 获取单例的Runtime实例  
      Runtime runtime = Runtime.getRuntime();  
      // 使用Runtime实例执行一个命令  
      Process process = runtime.exec("notepad.exe");  
   }  
}

Desktop对象，可以使用java.awt.Desktop类的getDesktop方法来获取单例的Desktop对象。例如：

public class DesktopTest {   
   public static void main(String[] args) throws IOException{   
      // 获取单例的Desktop实例   
      Desktop desktop = Desktop.getDesktop();   
      // 使用Desktop实例打开一个文件   
      File file = new File("test.txt");   
      desktop.open(file);   
   }   
}