07 创建型模式-单例模式

1.单例模式介绍

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一，此模式保证
某个类在运行期间，只有一个实例对外提供服务，而这个类被称为单例类。

2.使用单例模式要做的两件事

保证一个类只有一个实例
为该实例提供一个全局访问节点

3. 单例模式结构

在这里插入图片描述

4.1 单例模式之饿汉式：

在类加载期间初始化静态实例,保证 instance 实例的创建是线程安全的 ( 实例在
类加载时实例化，有JVM保证线程安全).
特点: 不支持延迟加载实例(懒加载) , 此中方式类加载比较慢，但是获取实例对象
比较快。

问题: 该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。

public class Singleton_01 {

	//1. 私有构造方法
	private Singleton_01(){}

	//2. 在本类中创建私有静态的全局对象
	private static Singleton_01 instance = new Singleton_01();

	//3. 提供一个全局访问点,供外部获取单例对象
	public static Singleton_01 getInstance(){
		return instance;
	}

}

4.2懒汉式(线程不安全)

此种方式的单例实现了懒加载,只有调用getInstance方法时才创建对象.但是如
果是多线程情况,会出现线程安全问题.

public class Singleton_02 {

	//1. 私有构造方法
	private Singleton_02(){}

	//2. 在本类中创建私有静态的全局对象
	private static Singleton_02 instance;

	//3. 通过判断对象是否被初始化,来选择是否创建对象
	public static Singleton_02 getInstance(){
		if(instance == null){
			instance = new Singleton_02();
		}
		return instance;
	}

}

注意：
假设在单例类被实例化之前，有两个线程同时在获取单例对象，线程A在执
行完if (instance == null) 后，线程调度机制将 CPU 资源分配给线程B，此
时线程B在执行 if (instance == null)时也发现单例类还没有被实例化，这样
就会导致单例类被实例化两次。为了防止这种情况发生，需要对
getInstance() 方法同步处理。改进后的懒汉模式.

懒汉式(线程安全)

原理: 使用同步锁 synchronized 锁住创建单例的方法，防止多个线程同时调
用，从而避免造成单例被多次创建。

public class Singleton_03 {

	//1. 私有构造方法
	private Singleton_03(){}

	//2. 在本类中创建私有静态的全局对象
	private static Singleton_03 instance;

	//3. 通过添加synchronize,保证多线程模式下的单例对象的唯一性
	public static synchronized Singleton_03 getInstance(){
		if(instance == null){
			instance = new Singleton_03();
		}
		return instance;
	}

}

缺点：
懒汉式的缺点也很明显，我们给 getInstance() 这个方法加了一把大锁
（synchronzed），导致这个函数的并发度很低。量化一下的话，并发度
是 1，也就相当于串行操作了。而这个函数是在单例使用期间，一直会被调
用。如果这个单例类偶尔会被用到，那这种实现方式还可以接受。但是，
如果频繁地用到，那频繁加锁、释放锁及并发度低等问题，会导致性能瓶
颈，这种实现方式就不可取了。

双重校验

饿汉式不支持延迟加载，懒汉式有性能问题，不支持高并发。那我们再来看一
种既支持延迟加载、又支持高并发的单例实现方式，也就是双重检测实现方
式。

实现步骤:

在声明变量时使用了 volatile 关键字,其作用有两个:
保证变量的可见性：当一个被volatile关键字修饰的变量被一个线程修改的时
候，其他线程可以立刻得到修改之后的结果。
屏蔽指令重排序：指令重排序是编译器和处理器为了高效对程序进行优化的手
段，它只能保证程序执行的结果时正确的，但是无法保证程序的操作顺序与代
码顺序一致。这在单线程中不会构成问题，但是在多线程中就会出现问题。
将同步方法改为同步代码块. 在同步代码块中使用二次检查，以保证其不被
重复实例化同时在调用getInstance()方法时不进行同步锁，效率高。

public class Singleton_04 {

	//1. 私有构造方法
	private Singleton_04(){}

	//2. 使用 volatile保证变量的可见性
	private volatile static Singleton_04 instance = null;

	//3. 对外提供静态方法获取对象
	public static Singleton_04 getInstance(){
		//第一次判断,如果instance不为null,不进入抢锁阶段,直接返回实例
		if(instance == null){
			synchronized (Singleton_04.class){
				//抢到锁之后再次进行判断是否为null
				if(instance == null){
					instance = new Singleton_04();
				}
			}
		}
		return instance;
	}

}

静态内部类

原理根据静态内部类的特性(外部类的加载不影响内部类)，同时解决了按
需加载、线程安全的问题，同时实现简洁。

在静态内部类里创建单例，在装载该内部类时才会去创建单例
线程安全：类是由 JVM 加载，而 JVM 只会加载1遍，保证只有1个单例

public class Singleton_05 {

	private static class SingletonHandler{
		private static Singleton_05 instance = new Singleton_05();
	}

	private Singleton_05(){}

	public static Singleton_05 getInstance(){
		return SingletonHandler.instance;
	}

}

反射对于单例的破坏

反射技术过于强大，它可以通过 setAccessible() 来修改构造器，字段，方法
的可见性。单例模式的构造方法是私有的，如果将其可见性设为 public ，那么
将无法控制对象的创建。

public class Test_Reflect {

	public static void main(String[] args) {
		try {
			//反射中，欲获取一个类或者调用某个类的方法，首先要获取到该类的Class 对象。
			Class<Singleton_05> clazz = Singleton_05.class;
			//getDeclaredXxx: 不受权限控制的获取类的成员.
			Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
			//设置为true,就可以对类中的私有成员进行操作了
			c.setAccessible(true);
			Object instance1 = c.newInstance();
			Object instance2 = c.newInstance();
			System.out.println(instance1 == instance2);
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

}

解决方法之一: 在单例类的构造方法中添加判断 instance != null 时,直接抛
出异常

public class Singleton_05 {
	private static class SingletonHandler{
		private static Singleton_05 instance = new Singleton_05();
	}
	private Singleton_05(){
		if(SingletonHandler.instance != null){
			throw new RuntimeException("不允许非法访问!");
		}
	}
	public static Singleton_05 getInstance(){
		return SingletonHandler.instance;
	}
}

上面的这种方式使代码简洁性遭到破坏,设计不够优雅.

序列化对于单例的破坏

public class Test_Serializable {
	@Test
	public void test() throws Exception{
		//序列化对象输出流
		ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(newFileOutputStream("tempFile.obj"));
		oos.writeObject(Singleton.getInstance());
		//序列化对象输入流
		File file = new File("tempFile.obj");
		ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
		Singleton Singleton = (Singleton) ois.readObject();
		System.out.println(Singleton);
		System.out.println(Singleton.getInstance());
		//判断是否是同一个对象
		System.out.println(Singleton.getInstance() == Singleton);//false
	}
}

class Singleton implements Serializable{
	private volatile static Singleton singleton;

	private Singleton() {}

	public static Singleton getInstance() {
		if (singleton == null) {
			synchronized (Singleton.class) {
				if (singleton == null) {
					singleton = new Singleton();
				}
			}
		}
		return singleton;
	}
}

输出结构为false，说明：
通过对Singleton的序列化与反序列化得到的对象是一个新的对象，这就破坏了
Singleton的单例性。

解决方案:

/**
* 解决方案:只要在Singleton类中定义readResolve就可以解决该问题
* 程序会判断是否有readResolve方法,如果存在就在执行该方法,如果不存在-
-就创建一个对象
*/
private Object readResolve() {
	return singleton;
}

在这里插入图片描述

readOrdinaryObject方法的代码片段

private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
throws IOException
{
//此处省略部分代码
Object obj;
try {
//通过反射创建的这个obj对象，就是本方法要返回的对象，也
可以暂时理解为是ObjectInputStream的readObject返回的对象。
//isInstantiable：如果一个serializable的类可以在运行
时被实例化，那么该方法就返回true
//desc.newInstance：该方法通过反射的方式调用无参构造方
法新建一个对象。
obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance()
: null;
} catch (Exception ex) {
throw (IOException) new InvalidClassException(
desc.forClass().getName(),
"unable to create instance").initCause(ex);
}
return obj;
}

在这里插入图片描述

5 枚举(推荐方式)

在这里插入图片描述

public enum Singleton_06{

	INSTANCE;
	private Object data;

	public Object getData() {
		return data;
	}

	public void setData(Object data) {
		this.data = data;
	}

	public static Singleton_06 getInstance(){
		return INSTANCE;
	}
}