【23种设计模式专题】一单例模式，谁说程序猿没有女(男)朋友

Love The Way You Lie 2023-07-14 13:57 3阅读 0赞

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### 文章目录 ###

*  前言
 *  概念
 *  应用场景
 *  实战篇
 *   *  new两个对象,判断是否相等
     *  饿汉式(第一种)
     *  懒汉式（第二种)
     *   *  模拟线程不安全
         *  模拟线程不安全，方法加synchronized
     *  双重校验锁DCL(第三种)
     *   *  1.0版本，线程不安全
         *   *   *  题外话，浅谈指令重排
         *  2.0版本，线程安全
         *  静态内部类(第四种)
         *   *  反射破坏单例
             *  防止反射，增加监控代码
     *  枚举(第五种)

# 前言 #

> **你问程序猿小哥哥，有对象吗**  
> 他会毫不犹豫的告诉你，**有**，简单呀，new一个呗。  
> 我们知道"对象"只会有一个，毕竟，不是谁都是韦小宝，有7个老婆，可以new 7次。  
> **那怎么保证只会new出一个对象**，这就是本文的主角**单例模式**。  
> 现在这年代太难了,找对象难，在程序中，new一个对象，还这么讲究。

# 概念 #

采取一定的手段，**保证一个类中只有一个实例**，并且**只提供**一个取到该实例的入口。

*  是不是理解起来一脸懵逼，别急，后面会一一的解释这段的意思。

# 应用场景 #

*  学过spring的社友，应该知道，在spring中创建一个bean,会有一个scope属性，他的值默认为singleton，也就是单例，看看spring都在用单例，你还敢说没有用吗？
 *  项目的配置信息，可以考虑用单例
 *  网站的计数。统计访问量

**总结：**  
如果该对象频繁的被使用，我们就可以考虑把他设计单例。

# 实战篇 #

## new两个对象,判断是否相等 ##

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    /** * Description： * Author: 程序猿学社 * Date: 2020/3/15 12:30 * Modified By: */
    public class Demo1 { 
        public static void main(String[] args) { 
            Girlfriend gf = new Girlfriend();
            Girlfriend gf1 = new Girlfriend();
            System.out.println(gf  == gf1);
        }
    }
    
    class  Girlfriend{ 
    
    }

各位社友，觉得输出的结果是什么？true还是false  
![20200315123924387.png][]

*  引用类型比较的是两个对象的地址是否相等，实例化两次，当然不相等。
 *  各位社友想一想，每次都实例化一个对象，开销是不是很大。作为一个别人眼里勤俭节约的程序猿，每个月几乎无什么开销。理性的程序猿，不仅仅在生活中得保持这种良好的品质，在开发过程中，我们也应该保持好这种传统。

## 饿汉式(第一种) ##

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    /** * Description： * Author: 程序猿学社 * Date: 2020/3/15 13:15 * Modified By: */
    public class Demo2 { 
        public static void main(String[] args) { 
            Girlfriend2 gf1 = Girlfriend2.getInstance();
            Girlfriend2 gf2 = Girlfriend2.getInstance();
            System.out.println(gf1 == gf2);
        }
    }
    class  Girlfriend2{ 
        //第二步
        private  static Girlfriend2 gf = new Girlfriend2();
        // 第一步
        private Girlfriend2() { 
    
        }
    
        //第三步
        public  static Girlfriend2 getInstance(){ 
            return  gf;
        }
    }

![20200315133616776.png][]  
输出的值为true，说明只实例化一次。我们来梳理一下代码实现思路。

*  为了防止，一直new，直接把构造方法私有化，防止别人调用。
 *  通过静态变量实现只初始化一次，被static修饰的变量，我们都知道只会加载一次，所以，就可以保证对象只会实例化一次。
 *  我们现在也无法通过new 对象，实际上就是通过调用构造方法的方式直接创建对象，那其他的人，要如何调用，是不是需要提供一个入口，因为无法new对象，这就意味着我们无法通过对象.属性的方式调用该方法，是不是只有把这个方法修饰为static方法，才能调用。

在学习单例过程中，我们会经常看到一个词汇“**懒加载**”，他是什么意思？

*  **实际上，就是需要使用的时候，才加载**。案例：女朋友说喜欢草莓，你去买了一大盒，你到家后，女朋友，跟你说，我又不喜欢草莓，钱也花了，没人吃，是不是造成浪费，在软件的世界里，也是一样，避免资源的浪费。

**总结：**  
饿汉式是通过static变量，也就是类加载原理保证单例，也就是所谓的线程安全。没有实现懒加载。  
**个人的建议：**  
可以使用，内存浪费的问题，几乎可以忽略，在实际开发过程中，存在一个类，也不调用，还傻傻的放在那里，说明这个代码，可能是无用的代码，对于，没有的代码，直接干掉。

## 懒汉式（第二种) ##

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    /** * Description：懒汉式 * Author: 程序猿学社 * Date: 2020/3/15 14:00 * Modified By: */
    public class Demo3 { 
        public static void main(String[] args) { 
            Girlfriend3 gf = Girlfriend3.getInstance();
            Girlfriend3 gf1 = Girlfriend3.getInstance();
            System.out.println(gf == gf1);
        }
    }
    class  Girlfriend3{ 
        private static  Girlfriend3 gf =  null;
        private Girlfriend3() { 
    
        }
        public static Girlfriend3 getInstance(){ 
            if(gf == null){ 
                gf = new Girlfriend3();
            }
            return gf;
        };
    }

![20200315140534863.png][]  
**打印的结果也为true，各位社友，是不是觉得，这就实现单例？**  
实际上，这种写法是有问题的，会存在线程安全的问题  
![20200315140840676.png][]

*  gf对象被static修饰，说明资源只有一份，看过社长多线程高并发编程文章的社友，应该都知道，多个线程访问同一个资源的时候，会存在线程不安全的问题。
 *  假设有两个线程A B, A走到判断这里，而这是的B也刚好走到这里，都没有创建对象，都会创建对象。实际上就会创建实例化两次。

### 模拟线程不安全 ###

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    /** * Description：懒汉式,模拟线程不安全 * Author: 程序猿学社 * Date: 2020/3/15 14:00 * Modified By: */
    public class Demo4 { 
        public static void main(String[] args) { 
            new Thread(()->{ 
                Girlfriend4 gf = Girlfriend4.getInstance();
                System.out.println(gf);
            }).start();
    
            new Thread(()->{ 
                Girlfriend4 gf1 = Girlfriend4.getInstance();
                System.out.println(gf1);
            }).start();
        }
    }
    
    class  Girlfriend4{ 
        private static  Girlfriend4 gf =  null;
        private Girlfriend4() { 
    
        }
        public static   Girlfriend4 getInstance(){ 
            if(gf == null){ 
                try { 
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                gf = new Girlfriend4();
            }
            return gf;
        };
    }

![20200315141910410.png][]

*  TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100); 模拟延迟100毫秒，如果不加这个代码，程序一闪而过，是无法看到实际的效果的
 *  通过测试，我们可以发现，这两个对象的地址是**不一样**的，说明实例化两次，所以我们说他是**线程不安全**的。

对多线程不了解社友，看到线程不安全这个词汇,可能会有点懵逼，这里我简单的阐述一下，如何界定一个线程是否安全。

*  首先，有一个前提，在多线程环境下，我上面的代码new了两次Thread。就是保证在多线程环境下。
 *  我们对程序有一个预期的效果，按照我们程序的预期，这个对象是实例化一次，这个就是我们的预期，最终的结果是实例化两次，跟我们预期有偏差，我们就可以说他是**线程不安全**的。

### 模拟线程不安全，方法加synchronized ###

跟上面的方法相比，只是增加了synchronized关键字

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    /** * Description：懒汉式,方法上增加同步 * Author: 程序猿学社 * Date: 2020/3/15 14:00 * Modified By: */
    public class Demo5 { 
        public static void main(String[] args) { 
            new Thread(()->{ 
                Girlfriend5 gf = Girlfriend5.getInstance();
                System.out.println(gf);
            }).start();
    
            new Thread(()->{ 
                Girlfriend5 gf1 = Girlfriend5.getInstance();
                System.out.println(gf1);
            }).start();
        }
    }
    
    class  Girlfriend5{ 
        private static  Girlfriend5 gf =  null;
        private Girlfriend5() { 
    
        }
        public static synchronized   Girlfriend5 getInstance(){ 
            if(gf == null){ 
                try { 
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                gf = new Girlfriend5();
            }
            return gf;
        };
    }

![20200318101201595.png][]

*  为了解决线程安全的问题，在方法上增加关键字synchronized，意味着，同一时候，只能有一个线程调用该方法，方法运行完后，下一个线程才能拿到锁。 案例：每一个茅坑都有一把锁，本来一个洗手间，可以容纳很多人，使用synchronized，就相当于，隔壁小王在上洗手间，为了防止被人偷窥，直接把洗手间的大门锁上，需要等隔壁老王，上完后，其他人才能进去，所以说，加synchronized这种方式性能不怎么好。

**总结：**  
通过synchronized关键字，解决懒汉式单例线程安全的问题，虽说能保证线程安全，但是，**效率太低**，在实际项目实战过程中，**不建议使用这种方式**。

隔壁老王：社长，那有什么办法，可以保证线程安全，效率还行的实现方式吗？  
社长：有的，通过双重校验锁方式。

## 双重校验锁DCL(第三种) ##

### 1.0版本，线程不安全 ###

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    /** * Description：懒汉式 双重校验锁 DCL * Author: 程序猿学社 * Date: 2020/3/15 14:00 * Modified By: */
    public class Demo6 { 
        public static void main(String[] args) { 
            new Thread(()->{ 
                Girlfriend6 gf = Girlfriend6.getInstance();
                System.out.println(gf);
            }).start();
    
            new Thread(()->{ 
                Girlfriend6 gf1 = Girlfriend6.getInstance();
                System.out.println(gf1);
            }).start();
        }
    }
    
    class  Girlfriend6{ 
        private static   Girlfriend6 gf =  null;
        private Girlfriend6() { 
    
        }
        public static   Girlfriend6 getInstance(){ 
            if(gf == null){     //步骤1
                synchronized (Girlfriend6.class){ 
                    if(gf == null){ 
                        gf = new Girlfriend6();  //步骤2
                    }
                }
            }
            return gf;
        };
    }

![20200318110031307.png][]

*  通过结果查看，好像木有问题。不要被结果所蒙蔽了，实际上，这种方式，还是会存在线程不安全的问题。
 *  为了提供性能，java编译器，会进行**指令重排**。  
    (1).分配内存空间  
    (2)初始化对象  
    (3) 把gf变量指向刚刚分布的内存地址

这样就会存在问题，假设，他的顺序是1-3-2，线程A刚刚跑到1-3这一步，把gf指向一个地址的时候(表示gf这个对象不为空，因为已经有内存地址)，而这时的线程B，刚刚到步骤1，进行对应的判断，发现gf不为空，直接退出程序。

##### 题外话，浅谈指令重排 #####

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    /** * Description： * Author: wude * Date: 2020/3/18 11:29 * Modified By: */
    public class Test { 
        public static void main(String[] args) { 
            Test test = new Test();
        }
    }

![20200318113914573.png][]  
idea版本中，在类里面右键，保证该类已运行，不然，会提示找不到主类的错。  
![20200318114121432.png][]

*  实际上，我们在代码里面只是创建了一个main方法，实例化一个对象，而底层是这样处理的。具体都是什么意思。可以查查Java字节码。

隔壁老王：社长，既然多线程环境下，会存在指令重排的问题，是不是说通过双重校验锁这种方式实现单例，也不可行。  
社长：既然存在指令重排的问题，jdk大佬当然也考虑这个问题，增加volatile关键字

### 2.0版本，线程安全 ###

![20200319085539721.png][]  
**总结:**  
通过双重检验锁，很好的解决解决线程安全的问题。建议使用。实现了懒加载。

### 静态内部类(第四种) ###

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    /** * Description： * Author: 程序猿学社 * Date: 2020/3/18 19:59 * Modified By: */
    public class Demo7 { 
        public static void main(String[] args) { 
            Girlfriend7 gf = Girlfriend7.getInstance();
            Girlfriend7 gf1 = Girlfriend7.getInstance();
            System.out.println(gf == gf1);
        }
    }
    class  Girlfriend7{ 
        private Girlfriend7() { 
        }
    
        public static  Girlfriend7 getInstance(){ 
            return  Instance.gf;
        }
    
        private  static  class Instance{ 
            private static final Girlfriend7 gf = new Girlfriend7();
        }
    }

**总结：**  
静态内部类通过classloader 机制来保证单例和线程安全。同时也是懒加载的，只有使用到该静态内部类被调用时，才会被加载。

**隔壁老王**：社长，社长，听说反射可以破坏单例，具体是怎么一回事？  
**社长**：既然，你提了这个问题，我们就来具体看看，为什么反射可以破坏单例。

#### 反射破坏单例 ####

实际上，不止反射可以破坏单例，通过序列化的方式也可以破坏单例。

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    import java.lang.annotation.Annotation;
    import java.lang.reflect.Constructor;
    
    /** * Description：模拟通过反射破坏单例 * Author: 程序猿学社 * Date: 2020/3/19 9:15 * Modified By: */
    public class Demo8 { 
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            Constructor<Girlfriend8> declaredConstructor = Girlfriend8.class.getDeclaredConstructor(null);
            declaredConstructor.setAccessible(true);//暴力访问
    
            Girlfriend8 gf = declaredConstructor.newInstance();
            Girlfriend8 gf1 = declaredConstructor.newInstance();
            System.out.println(gf);
            System.out.println(gf1);
        }
    }
    
    class  Girlfriend8{ 
        private Girlfriend8() { 
        }
    
        public static  Girlfriend8 getInstance(){ 
            return  Instance.gf;
        }
    
        private  static  class Instance{ 
            private static final Girlfriend8 gf = new Girlfriend8();
        }
    }

![20200320142447713.png][]

*  通过测试结果，我们可以发现，通过反射，这个对象竟然被实例化多次。
 *  实际上，就是因为反射可以拿到private的构造方法。

**隔壁老王**：社长，那怎么解决反射可以暴力破解单例的问题？  
**社长**：在构造方法里面，再判断一下这个对象是否为空。

#### 防止反射，增加监控代码 ####

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    import java.lang.annotation.Annotation;
    import java.lang.reflect.Constructor;
    
    /** * Description：模拟通过反射破坏单例 * Author: 程序猿学社 * Date: 2020/3/19 19:15 * Modified By: */
    public class Demo8 { 
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            Constructor<Girlfriend8> declaredConstructor = Girlfriend8.class.getDeclaredConstructor(null);
            declaredConstructor.setAccessible(true);//暴力访问
    
            Girlfriend8 gf = declaredConstructor.newInstance();
            Girlfriend8 gf1 = declaredConstructor.newInstance();
            System.out.println(gf);
            System.out.println(gf1);
        }
    }
    
    class  Girlfriend8{ 
        private Girlfriend8() { 
            synchronized (Girlfriend8.class){ 
                if(Instance.gf == null){ 
                    try { 
                        throw new Exception("该对象已实例化,不要试图破解!");
                    }catch (Exception e){ 
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    
        public static  Girlfriend8 getInstance(){ 
            return  Instance.gf;
        }
    
        private  static  class Instance { 
            private static final Girlfriend8 gf = new Girlfriend8();
        }
    }

*  实际上，这种方式，只是在第二次实例化的时候，增加一个判断，发现重复实例化，就抛出一个异常，没有从根本上解决问题。老王，你可以使用另外一种，代码也十分的简洁。那就是通过枚举的方式实现单例。

## 枚举(第五种) ##

package com.cxyxs.designmode.util;
    
    import java.lang.reflect.Constructor;
    
    /** * Description： * Author: 程序猿学社 * Date: 2020/3/20 19:55 * Modified By: */
    public enum  Demo9 { 
        GF;
        public Demo9 getInstance(){ 
            return GF;
        }
    }
    class  Test9{ 
        public static void main(String[] args) throws Exception{ 
            Demo9 instance = Demo9.GF.getInstance();
            Demo9 instance1 = Demo9.GF.getInstance();
            System.out.println(instance == instance1);
        }
    }

![20200321225021136.png][]

*  通过枚举实现单例，十分的简单，并且是线程安全的，不会被反射，序列化破坏，但是，他不支持懒加载。

**隔壁老王**：社长，为什么枚举可以解决别人暴力破解的问题？  
**社长**: 给你看一段源码，你就知道为什么枚举可以防止别人暴力破解。  
![20200321225748428.png][]  
还记得我在上一个事例中，给你说过，通过反射可以单例，写了一段代码，我们来看看源码。  
![20200321230125431.png][]

*  如果类型为枚举，是不会继续向下执行的，也就不会重新实例化一个对象。

![2020032123065259.png][]  
最近有不少读者在问我**java应该如何学习**，在这里，把我整理的学习视频分享出来。  
(1).springboot，springcloud视频  
(2).架构师视频，设计模式视频，深入jvm内核原理。  
(3) java面试视频

> 可以通过公众号“**程序猿学社**”,回复关键字"**视频**",希望能帮到你。

**原创不易，不要白嫖**，觉得有用的社友，**给我点赞**，让更多的老铁看到这篇文章。

> 作者：**程序猿学社**  
> 原创公众号：『**程序猿学社**』，暂时专注于java技术栈，分享java各个技术系列专题，以及各个技术点的面试题。  
> 原创不易，转载请注明来源(注明：来源于公众号：**程序猿学社**， 作者：**程序猿学社**)。

[github]: https://github.com/ITfqyd/cxyxs
[20200315123924387.png]: /images/20230529/8946b9d7f9cf4fe9af9b7e2618a3f92c.png
[20200315133616776.png]: /images/20230529/90d8fb98c2554f5085b51a219705f4da.png
[20200315140534863.png]: /images/20230529/cb45a88f4f6448378ec850a7595b88e0.png
[20200315140840676.png]: /images/20230529/9025ad29255d46f4a4eb2474a3901641.png
[20200315141910410.png]: /images/20230529/f81424eb6f544049b4c8884aa3b448ff.png
[20200318101201595.png]: /images/20230529/691914132c704b87a2c753cb97b11160.png
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