单例模式的运用

原创

忆遂愿

发布于 2024-08-01 11:26:27

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发布于 2024-08-01 11:26:27

一、介绍

单例模式：属于创建型模式，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。

单例设计模式分类两种：

饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建。
懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建。

二、饿汉式

2.1 静态变量方式

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并创建Singleton类的对象instance。instance对象是**随着类的加载而创建的**。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成**内存的浪费**。

/\*\*

 \* 静态变量创建类的对象

 \*/

public class Singleton {

    // 私有类的无参构造

    private Singleton() {}

    // 给本类创建一个新的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰

    private static Singleton instance = new Singleton();

    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法

    public static Singleton getInstance(){

        return instance;

    }

}



public static void main(String[] args) {

          // 重复调用Singletion类的getInstance方法

        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();

        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式

        System.out.println(instance1 == instance2);//true

}

2.2 静态代码块方式

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，而对象的创建是在**静态代码块**中，也是**对着类的加载而创建**。所以和饿汉式的静态变量方式基本上一样，当然该方式也存在**内存浪费**问题。

/\*\*

 \* 静态变量创建类的对象

 \*/

public class Singleton {

    // 私有的构造方法

    private Singleton(){}

    // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰

    private static Singleton instance;//null

    // 在静态代码块中进行赋值，创建Singleton的对象

    static{

        instance = new Singleton();

    }

    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法

    public static Singleton getInstance() {

        return instance;

    }

}



public static void main(String[] args) {

        // 重复调用Singletion类的getInstance方法

        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();

        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式

        System.out.println(instance1 == instance2);//true

}

2.3 枚举方式

枚举类实现单例模式是极力推荐的单例实现模式，因为枚举类型是**线程安全**的，并且**只会加载一次**，枚举类型是所用单例实现中**唯一一种不会被破坏的**单例实现模式。

/\*

\* 枚举方式

\* 枚举方式属于恶汉式方式

\*\*/

public enum Singleton {

    INSTANCE;

}



public static void main(String[] args) {

    // 重复调用Singletion枚举类的INSTANCE

    Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;

    Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;

    System.out.println(instance1 == instance2);

}

三、懒汉式

3.1 线程不安全方式

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，当调用getInstance()方法获取Singleton类的对象的时候才创建Singleton类的对象，这样就实现了**懒加载**的效果。但是，在**多线程环境，出现线程安全问题**。

/\*\*

 \* 线程不安全

 \*/ 

public class Singleton {

    // 私有的构造方法

    private Singleton(){}

    // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰

    private static Singleton instance;//null

    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法

    public static Singleton getInstance() {

        // 判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象

        // 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可

        if(instance == null){

            instance = new Singleton();

        }

        return instance;

    }

}



public static void main(String[] args) {

        // 重复调用Singletion类的getInstance方法

        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();

        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式

        System.out.println(instance1 == instance2);//true

}

3.2 线程安全方式

该方式也实现了懒加载效果，同时又**解决了线程安全问题**。但是在getInstance()方法上添加了synchronized关键字，导致该方法的执行效果特别低。在初始化instance的时候才会出现线程安全问题，一旦初始化完成就不存在该问题了。

/\*\*

 \* 线程安全

 \*/ 

public class Singleton {

    // 私有的构造方法

    private Singleton(){}

    // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰

    private static Singleton instance;//null

    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法

    public static synchronized Singleton getInstance() {

        // 判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象

        // 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可

        if(instance == null){

            // 加锁前，线程1、2都进入到该位置，此时就会出现创建多个对象的情况

            // 加锁后，线程1进入，线程2会在外面等待线程1运行完毕，释放锁后才继续执行

            instance = new Singleton();

        }

        return instance;

    }

}



public static void main(String[] args) {

        // 重复调用Singletion类的getInstance方法

        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();

        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式

        System.out.println(instance1 == instance2);//true

}

3.3 双重检查锁方式

该方式对懒汉模式中加锁的问题做出变化，对于 getInstance() 方法来说，绝大部分的操作都是**读操作**，读操作是**线程安全**的，所以没必让每个线程必须持有锁才能调用该方法，我们需要**调整加锁的时机**。

在**多线程的情况**下，可能会出现**空指针问题**，出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行**优化和指令重排序**操作。要解决双重检查锁模式带来空指针异常的问题，只需要使用 volatile 关键字, volatile 关键字可以保证**可见性和有序性**。

/\*

\* 双重检查锁

\* 添加 volatile关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例

\* 实现模式，能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题

\*\*/

public class Singleton {

    // 私有的构造方法

    private Singleton(){}

    // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰

    private static volatile Singleton instance;//null

    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法

    public static Singleton getInstance() {

        // 第一次判断，判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象，不需要抢占锁

        // 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可，读操作直接返回，没有加锁

        if(instance == null){

            // 第二次判断，写操作需要加锁

            synchronized (Singleton.class) {

                if (instance == null) {

                    instance = new Singleton();

                }

            }

        }

        return instance;

    }

}



public static void main(String[] args) {

        // 重复调用Singletion类的getInstance方法

        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();

        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式

        System.out.println(instance1 == instance2);//true

}

3.4 静态内部类方式

该方式的实例由**内部类**创建，由于 **JVM 在加载外部类的过程中，是不会加载静态内部类的，只有内部类的属性/方法被调用时才会被加载，并初始化其静态属性**。静态属性由于被 static 修饰，保证只被实例化一次，并且严格保证**实例化顺序**。

静态内部类方式在**没有加任何锁**的情况下，保证**线程安全**，并且**没有任何性能影响和空间的浪费**。

/\*

\* 静态内部类方式

\* 第一次加载Singleton类时不会去初始化INSTANCE，只有第一次调用getInstance，虚拟机加载SingletonHolder并初始化INSTANCE，这样不仅能确保线程安全，也能保证 Singleton 类的唯一性。

\*\*/

public class Singleton {

    // 私有的构造方法

    private Singleton(){}

    //定义一个静态内部类

    private static class SingletonHolder {

        //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰

        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    }

    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法

    public static Singleton getInstance() {

        // 内部类直接调用对象

        return SingletonHolder.INSTANCE;

    }

}



public static void main(String[] args) {

        // 重复调用Singletion类的getInstance方法

        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();

        // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式

        System.out.println(instance1 == instance2);//true

}

四、破坏单例模式

4.1 序列化破坏

代码运行结果是false，表明序列化和反序列化已经破坏了单例设计模式。

对象里面的值是一样的，只不过对象的引用不一样，相当于是两个对象，涉及到了深拷贝

/\*\*

 \* 静态内部类方式的单列模式

 \*/

public class Singleton implements Serializable {

    // 私有的构造方法

    private Singleton(){}

    //定义一个静态内部类

    private static class SingletonHolder {

        //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰

        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    }

    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法

    public static Singleton getInstance() {

        // 内部类直接调用对象

        return SingletonHolder.INSTANCE;

    }

}



public class Client {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

//        writeObjectToFile();

        Singleton s1 = readObjectFromFile();

        Singleton s2 = readObjectFromFile();

        System.out.println(s1 == s2);

    }

    // 使用序列化向文件中写数据（对象）

    private static void writeObjectToFile() throws IOException {

        // 获取Singleton对象

        Singleton instance = Singleton.getInstance();

        // 创建对象输出流对象

        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\a.txt"));

        // 将对象写入

        objectOutputStream.writeObject(instance);

        // 释放资源

        objectOutputStream.close();

    }

    // 使用反序列化读取文件的数据（对象）

    private static Singleton readObjectFromFile() throws Exception {

        // 创建对象输入流对象

        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\a.txt"));

        // 读取对象

        Singleton instance = (Singleton) objectInputStream.readObject();

        System.out.println(instance);

        // 释放资源

        objectInputStream.close();

        return instance;

    }

}

4.2 序列化破坏解决办法

想要解决序列化、反序列化对单例模式的破坏，我们需要在Singleton类中添加readResolve()方法，在其被反序列化时调用，返回这个方法的值（对象）。 **原理**是在输入流对象的readObject方法的底层实现中，如果发现输入的是对象类型，则会调用readOrdinaryObject方法，该方法中会自动执行hasReadResolveMethod方法，来判断类中是否有readResolve方法，如果有，则会去执行invokeReadResolve方法来获取类中专门提供的实例，从而解决反序列化破坏单例模式的问题。

// 当进行反序列化时，会自动调用该方法，将该方法的返回值直接返回

public Object readResolve(){

    return SingletonHolder.INSTANCE;

}

4.3 反射破坏

代码运行结果是false，表明反射已经破坏了单例设计模式。

/\*\*

 \* 静态内部类方式的单列模式

 \*/

public class Singleton implements Serializable {

    // 私有的构造方法

    private Singleton(){}

    //定义一个静态内部类

    private static class SingletonHolder {

        //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰

        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    }

    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法

    public static Singleton getInstance() {

        // 内部类直接调用对象

        return SingletonHolder.INSTANCE;

    }

}



public class Client {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 获取Singleton字节码对象

        Class<Singleton> singletonClass = Singleton.class;

        // 获取无参构造方法对象

        Constructor<Singleton> declaredConstructor = singletonClass.getDeclaredConstructor();

        // 取消访问检查

        declaredConstructor.setAccessible(true);

        // 创建Singleton对象

        Singleton s1 = (Singleton) declaredConstructor.newInstance();

        Singleton s2 = (Singleton) declaredConstructor.newInstance();

        // 结果返回false，说明反射破坏了单例模式

        System.out.println(s1 == s2);

    }

}

4.4 反射破坏解决办法

当通过反射方式调用构造方法进行创建创建时，直接抛异常。不运行此次操作。

/\*\*

 \* 静态内部类方式的单列模式

 \*/

public class Singleton {

    // 定义一个flag判断是否已经创建过对象

    private static boolean flag = false;

    // 给私有构造方法添加锁，预防线程安全问题

    private Singleton(){

        synchronized(Singleton.class){

            // flag为false则跳过，直接正常创建，若flag为true，说明已经创建过，抛出异常

            if(flag){

                throw new RuntimeException("不能创建多个对象");

            }

            // 第一次创建后，应该将flag设置为true

            flag = true;

        }

    }

    //定义一个静态内部类

    private static class SingletonHolder {

        //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰

        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    }

    // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法

    public static Singleton getInstance() {

        // 内部类直接调用对象

        return SingletonHolder.INSTANCE;

    }

}

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原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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