1.单例模式

目录

简介

饿汉式

懒汉式

双重检测锁式

静态内部类式

枚举单例

测试

测试单例模式：

测试五种单例模式在多线程环境下的效率

问题（拓展）

例：反射破解单例模式

例：反序列化破解单例模式

总结：如何用

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简介

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个 JVM 中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

单例模式的优点：

• 由于单例模式只生产一个实例，减少了系统性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决
• 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化环境共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所以数据表的映射处理

常见的五种单例模式实现方式：

• 主要：
  • 饿汉式（线程安全，调用效率高；但是，不能延迟加载）
  • 懒汉式（线程安全，调用效率不高；但是，可以延迟加载）
• 其他：
  • 双重检测锁式（由于 JVM 底层内部模型原因，偶尔会出问题，不建议使用）
  • 静态内部类式（线程安全，调用效率高；但是，可以延时加载）
  • 枚举单例（线程安全，调用效率高，不能延时加载）

饿汉式

/*** @ProjectName:* @Package:        com.example.gof23.creational_patterns.singleton* @ClassName:      SingletonHg* @Description:    饿汉式单例模式（Hungry）* @Author:         qfxl* @CreateDate:     2024/09/09 23:00* @Version:        1.0.0*/
public class SingletonHungry {//类初始化时，立即加载这个对象//（在类加载器加载时，是天然的线程安全模式；同时因为是立即加载，所以没有延迟加载的优势）private static SingletonHungry instance = new SingletonHungry();//私有化构造器private SingletonHungry() {}//方法没有同步，调用效率高public static SingletonHungry getInstance() {return instance;}
}

懒汉式

/*** @ProjectName:* @Package:        com.example.gof23.creational_patterns.singleton* @ClassName:      SingletonLazy* @Description:    懒汉式单例模式（Lazy）* @Author:         qfxl* @CreateDate:     2024/09/09 23:00* @Version:        1.0.0*/
public class SingletonLazy {//类初始化时，不初始化这个对象（实现懒加载 或者叫 延迟加载（lazy load），真正用到的时候才加载）private static SingletonLazy instance;//私有化构造器private SingletonLazy() {}//方法同步，调用效率低public static synchronized SingletonLazy getInstance() {if (instance == null) {instance = new SingletonLazy();}return instance;}
}

双重检测锁式

/*** @ProjectName:* @Package:        com.example.gof23.creational_patterns.singleton* @ClassName:      SingletonDC* @Description:    双重检测锁式单例模式（Double Checked Locking）* @Author:         qfxl* @CreateDate:     2024/09/09 23:10* @Version:        1.0.0*/
public class SingletonDC {//使用了volatile关键字后，重排序被禁止，所有的写（write）操作都将发生在读（read）操作之前private volatile static SingletonDC instance;//私有化构造器private SingletonDC() {}//双重检测锁式public SingletonDC getInstance() {if (instance == null) {synchronized (SingletonDC.class) {if (instance == null) {instance = new SingletonDC();}}}return instance;}
}

静态内部类式

/*** @ProjectName:* @Package:        com.example.gof23.creational_patterns.singleton* @ClassName:      SingletonSIC* @Description:    静态内部类式单例模式（Static Inner Class）* @Author:         qfxl* @CreateDate:     2024/09/09 23:10* @Version:        1.0.0*/
public class SingletonSIC {private static class SingletonClassInstance {private static final SingletonSIC instance = new SingletonSIC();}//私有化构造器private SingletonSIC() {}public static SingletonSIC getInstance(){return SingletonClassInstance.instance;}
}

枚举单例

/*** @ProjectName:* @Package:        com.example.gof23.creational_patterns.singleton* @ClassName:      SingletonEnum* @Description:    枚举类单例模式（Enum）* @Author:         qfxl* @CreateDate:     2024/09/09 23:10* @Version:        1.0.0*/
public enum SingletonEnum {//这个枚举元素，本身就是单例对象（没有延时加载）INSTANCE;//添加自己需要的操作public void singletonOperation() {}
}

测试

测试单例模式：

public class Client {public static void main(String[] args) {//测试饿汉式单例模式（Hungry）SingletonHungry hungry1 = SingletonHungry.getInstance();SingletonHungry hungry2 = SingletonHungry.getInstance();System.out.println(hungry1);System.out.println(hungry2);//测试懒汉式单例模式SingletonLazy lazy1 = SingletonLazy.getInstance();SingletonLazy lazy2 = SingletonLazy.getInstance();System.out.println(lazy1);System.out.println(lazy2);//测试双重检测锁单例模式SingletonDC dc1 = SingletonDC.getInstance();SingletonDC dc2 = SingletonDC.getInstance();System.out.println(dc1);System.out.println(dc2);//测试静态内部类式单例模式SingletonSIC sic1 = SingletonSIC.getInstance();SingletonSIC sic2 = SingletonSIC.getInstance();System.out.println(sic1);System.out.println(sic2);//测试枚举单例模式SingletonEnum anEnum1 = SingletonEnum.INSTANCE;SingletonEnum anEnum2 = SingletonEnum.INSTANCE;System.out.println(anEnum1==anEnum2);}
}

结果为：

饿汉式：com.example.gof23.creational_patterns.singleton.SingletonHungry@1540e19d
饿汉式：com.example.gof23.creational_patterns.singleton.SingletonHungry@1540e19d
懒汉式：com.example.gof23.creational_patterns.singleton.SingletonLazy@677327b6
懒汉式：com.example.gof23.creational_patterns.singleton.SingletonLazy@677327b6
双重检测锁：com.example.gof23.creational_patterns.singleton.SingletonDC@14ae5a5
双重检测锁：com.example.gof23.creational_patterns.singleton.SingletonDC@14ae5a5
静态内部类：com.example.gof23.creational_patterns.singleton.SingletonSIC@7f31245a
静态内部类：com.example.gof23.creational_patterns.singleton.SingletonSIC@7f31245a
枚举单例：true

测试五种单例模式在多线程环境下的效率

（关注相对值即可，不同的环境下测试值完全不一样）

五种单例模式	时间
饿汉式（SingletonHungry）	26ms
懒汉式（SingletonLazy）	186ms
双重检测锁式（SingletonDC）	40ms
静态内部类式（SingletonSIC）	31ms
枚举单例（SingletonEnum）	37ms

• CountDownLatch
  • 同步辅助类，在完全一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待
  • countDown()：当前线程调用此方法，则计数减一（建议放在 finally 里执行）
  • await()：调用此方法会一直阻塞当前线程，直到计时器的值为0

public class ClientTimes {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {long start = System.currentTimeMillis();int threadNum = 10;final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadNum);for (int i = 0; i < threadNum; i++) {new Thread(new Runnable() {public void run() {for (int i = 0; i < 1000000; i++) {//分别对下面的单例模式进行测试SingletonHungry hungry = SingletonHungry.getInstance();
//                        SingletonLazy lazy = SingletonLazy.getInstance();
//                        SingletonDC dc = SingletonDC.getInstance();
//                        SingletonSIC sic = SingletonSIC.getInstance();
//                        SingletonEnum anEnum = SingletonEnum.INSTANCE;}countDownLatch.countDown();}}).start();}//main线程阻塞，直到计数器变为0，才会继续执行countDownLatch.await();long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("总耗时：" + (end - start));}
}

测试结果如上表格

问题（拓展）

• 反射可以破解上面几种（不包含枚举式）实现反式（可以在构造方法中手动抛出异常控制）
• 反序列化可以破解上面几种（不包含枚举式）实现方式（可以通过定义 readResolver() 防止获得不同的对象）
  • 反序列化时，如果对象所在的类定义了 readResolver()，（实际是一种回调），定义返回那个对象

例：反射破解单例模式

package com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand;public class SingletonDemo {private static SingletonDemo instance = new SingletonDemo();//私有化构造器private SingletonDemo() {}public static SingletonDemo getInstance() {return instance;}}

public class Test_reflect {public static void main(String[] args) throws Exception {//通过反射来破解单例模式（通过反射的方式直接调用私有化构造器）Class<SingletonDemo> clazz = (Class<SingletonDemo>) Class.forName("com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand.SingletonDemo");Constructor<SingletonDemo> c = clazz.getDeclaredConstructor(null);c.setAccessible(true);//跳过权限的检测，使其可以访问私有的方法SingletonDemo sd1 = c.newInstance();SingletonDemo sd2 = c.newInstance();System.out.println(sd1);System.out.println(sd2);}
}

结果为：

com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand.SingletonDemo@1540e19d
com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand.SingletonDemo@677327b6

防止反射破解单例模式：在构造方法中手动抛出异常控制

package com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand;public class SingletonDemo {private static SingletonDemo instance = new SingletonDemo();//私有化构造器private SingletonDemo() {//防止反射获取私有化的构造方法，从而破解单例模式if (instance != null) {throw new RuntimeException();}}public static SingletonDemo getInstance() {return instance;}}

再运行的结果为：

com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand.SingletonDemo@135fbaa4
com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand.SingletonDemo@135fbaa4

例：反序列化破解单例模式

package com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand;import java.io.Serializable;public class SingletonDemo implements Serializable {private static SingletonDemo instance = new SingletonDemo();//私有化构造器private SingletonDemo() {}public static SingletonDemo getInstance() {return instance;}}

public class Test_serializable {public static void main(String[] args) throws Exception {//通过反序列化的方式构造多个对象SingletonDemo instance1 = SingletonDemo.getInstance();FileOutputStream fos = new FileOutputStream("e:/a.txt");ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);oos.writeObject(instance1);FileInputStream fis = new FileInputStream("e:/a.txt");ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);SingletonDemo instance2 = (SingletonDemo) ois.readObject();System.out.println(instance1);System.out.println(instance2);}
}

结果为：

com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand.SingletonDemo@135fbaa4
com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand.SingletonDemo@58372a00

防止反序列化破解单例模式：通过定义 readResolver() 防止获得不同的对象

package com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand;import java.io.Serializable;public class SingletonDemo implements Serializable {private static SingletonDemo instance = new SingletonDemo();//私有化构造器private SingletonDemo() {//防止反射获取私有化的构造方法，从而破解单例模式if (instance != null) {throw new RuntimeException();}}public static SingletonDemo getInstance() {return instance;}//在反序列化时，如果定义了此方法，则直接返回此方法中的对象，无需单独再创建新对象private Object readResolve() {return instance;}}

再运行结果为：

com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand.SingletonDemo@135fbaa4
com.example.gof23.creational_patterns.singleton.expand.SingletonDemo@135fbaa4

总结：如何用

• 单例对象占用资源少，不需要延迟加载：
  • 枚举式 好于 饿汉式
• 单例对象占用资源大，需要延迟加载：
  • 静态内部类式 好于 懒汉式