Java 23种设计模式（2.创建者模式-单例设计模式）

缺乏、安全感 2023-09-23 22:43 138阅读 0赞

# 1. 创建者模式 #

创建型模式分为：

1.  单例模式
2.  工厂方法模式
3.  抽象工程模式
4.  原型模式
5.  建造者模式

## 什么是创建者模式？ ##

创建型模式的主要关注点是“**怎样创建对象**？”，它的主要特点是“**将对象的创建与使用分离**”。  
这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节

# 2.单例设计模式 #

> 单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。  
> 这种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**。

> **1.什么场景下使用？**  
> 写个工具箱窗口，如果点击多次弹出多个窗口，这不是我们想看的。我们希望点击一次出现一个窗口，这其实就是单例模式  
> **2.如何解决问题？**  
> 让一个全局变量被一个对象那个访问，让类保存唯一的实例  
> ![在这里插入图片描述][7c9f0e13d0d74847a69ea7f0f4223d58.png]

## 2.1 单例模式的结构 ##

单例模式的主要有以下角色：

*  单例类:**只能创建一个实例的类**
 *  访问类:**使用单例类**

程序类图：  
![在这里插入图片描述][cafef2e6c42d4003b65061a8129125d0.png]

## 2.2 单例模式的实现 ##

> 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**

### 1）饿汉式-方式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。

/**
     * @Description:
     *      饿汉式： 静态成员变量
     */
    public class Singleton {
        
    
        //1，私有构造方法
        private Singleton() {
        }
    
        //2，在本类中创建本类对象
        private static Singleton instance = new Singleton();
    
        //3，提供一个公共的访问方式，让外界获取该对象
        public static Singleton getInstance() {
        
            return instance;
        }
    }

**Test:**

public class Client {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //创建Singletion类的对象
            Singleton instance = Singleton.getInstance();
    
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
    
            //判断获取到的两个是否是同一个对象
            System.out.println(instance == instance1);
        }
    }

true

### 2）饿汉式-方式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。所以和饿汉式的方式1基本上一样，当然该方式也存在内存浪费问题。

/**
    * 恶汉式
    * 在静态代码块中创建该类对象
    */
    public class Singleton {
        
    
        //私有构造方法
        private Singleton() {
        }
    
        //声明Singleton类型的变量
        private static Singleton instance; //null
    
        //在静态代码块中进行赋值
        static {
        
            instance = new Singleton();
        }
    
        //对外提供获取该类对象的方法
        public static Singleton getInstance() {
        
            return instance;
        }
    }

**Test:**

public class Client {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Singleton instance = Singleton.getInstance();
    
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
    
            //判断两次获取到的Singleton对象是否是同一个对象
            System.out.println(instance == instance1);
        }
    }

true

### 3）懒汉式-方式1（线程不安全） ###

> 从下面代码我们可以看出该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并没有进行对象的赋值操作，那么什么时候赋值的呢？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，如果是多线程环境，会出现线程安全问题。

/**
    * 懒汉式
    * 线程不安全
    */
    public class Singleton {
        
    
        //私有构造方法
        private Singleton() {
        }
    
        //声明Singleton类型的变量instance
        private static Singleton instance; //只是声明一个该类型的变量，并没有进行赋值
    
        //对外提供访问方式
        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
            //如果没有，创建一个并返回，如果有，直接返回
            if(instance == null) {
        
                //线程1等待，线程2获取到cpu的执行权，也会进入到该判断里面
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }

Test:

public class Client {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Singleton instance = Singleton.getInstance();
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
    
            //判断两次获取到的Singleton对象是否是同一个对象
            System.out.println(instance == instance1);
        }
    }

true

### 4）懒汉式-方式2（线程安全） ###

> 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。从上面代码我们可以看出，其实就是在初始化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了。

/**
    * 懒汉式
    * 线程安全
    */
    public class Singleton {
        
    	//私有构造方法
    	private Singleton() {
        }
    	//在成员位置创建该类的对象
    	private static Singleton instance;
    	//对外提供静态方法获取该对象
    	public static synchronized Singleton getInstance() {
        
    		if(instance == null) {
        
    			instance = new Singleton();
    		}
    		return instance;
    	}
    }

### 5）懒汉式-方式3（双重检查锁） ###

> 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，所以我们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。由此也产生了一种新的实现模式：双重检查锁模式

/**
    * 双重检查方式
    */
    public class Singleton {
        
    
        //私有构造方法
        private Singleton() {
        }
    
        //声明Singleton类型的变量
        private static volatile Singleton instance;
    
        //对外提供公共的访问方式
        public static Singleton getInstance() {
        
            //第一次判断，如果instance的值不为null，不需要抢占锁，直接返回对象
            if(instance == null) {
        
                synchronized (Singleton.class) {
        
                    //第二次判断,抢到锁之后再次判断是否为null
                    if(instance == null) {
        
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
    
            return instance;
        }
    }

Test:

public class Client {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Singleton instance = Singleton.getInstance();
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
    
            System.out.println(instance == instance1);
        }
    }

true

> `双重检查锁模式`是一种非常好的单例实现模式，解决了单例、性能、线程安全问题，上面的双重检测锁模式看上去完美无缺，其实是存在问题，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。  
> 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**。

/**
    * 双重检查方式
    */
    public class Singleton {
        
    	//私有构造方法
    	private Singleton() {
        }
    	private static volatile Singleton instance;
    	//对外提供静态方法获取该对象
    	public static Singleton getInstance() {
        
    		//第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实际
    		if(instance == null) {
        
    		synchronized (Singleton.class) {
        
    		//抢到锁之后再次判断是否为空
    			if(instance == null) {
        
    				instance = new Singleton();
    			}
    		}
    	}
    	return instance;
    	}
    }

### 6） 懒汉式-方式4（静态内部类方式） ###

>  *  静态内部类单例模式中**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**。
>  *  说明：  
>     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。
>  *  小结：  
>     静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式，是开源项目中比较常用的一种单例模式。在没有加任何锁的情况下，保证了多线程下的安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。

/**
    * 静态内部类方式
    */
    public class Singleton {
        
    	//私有构造方法
    	private Singleton() {
        }
    	private static class SingletonHolder {
        
    		private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    	}
    	//对外提供静态方法获取该对象
    	public static Singleton getInstance() {
        
    		return SingletonHolder.INSTANCE;
    	}
    }

### 7）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，并且只会装载一次**，设计者充分的利用了枚举的这个特性来实现单例模式，枚举的写法非常简单，而且枚举类型是所用单**例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式**。

/**
    * 枚举方式
    */
    public enum Singleton {
        
    	INSTANCE;
    }

## 2.3 单例模式存在的问题 ##

破坏单例模式：  
使上面定义的单例类（Singleton）可以创建多个对象，枚举方式除外。有两种方式，分别是**序列化**和**反射**

### 1）序列化反序列化 ###

public class Singleton implements Serializable {
        
    
        //私有构造方法
        private Singleton() {
        }
    
        //定义一个静态内部类
        private static class SingletonHolder {
        
            //在内部类中声明并初始化外部类的对象
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
        }
    
        //提供公共的访问方式
        public static Singleton getInstance() {
        
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
    
        //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;
        }
    
    }

**Test:**

/**
    @Description:
     *      测试使用序列化破坏单例模式
     *
     *      文件可以任意选择放在指定路径下
     * */
    public class Client {
        
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            //writeObject2File();
            readObjectFromFile();
            readObjectFromFile();
        }
    
        //从文件读取数据（对象）
        public static void readObjectFromFile() throws Exception {
        
            //1,创建对象输入流对象
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("C:\\Users\\Desktop\\a.txt"));
            //2,读取对象
            Singleton instance = (Singleton) ois.readObject();
    
            System.out.println(instance);
    
            //释放资源
            ois.close();
        }
    
        //向文件中写数据（对象）
        public static void writeObject2File() throws Exception {
        
            //1,获取Singleton对象
            Singleton instance = Singleton.getInstance();
            //2,创建对象输出流对象
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\a.txt"));
            //3,写对象
            oos.writeObject(instance);
            //4,释放资源
            oos.close();
        }
    }

false

### 2）反射 ###

public class Singleton {
        
        //私有构造方法
        private Singleton() {
        }
        private static volatile Singleton instance;
        //对外提供静态方法获取该对象
        public static Singleton getInstance() {
        
            if(instance != null) {
        
                return instance;
            }
            synchronized (Singleton.class) {
        
                if(instance != null) {
        
                    return instance;
                }
                instance = new Singleton();
                return instance;
            }
        }
    }

**Test:**

public class Test {
        
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
    //获取Singleton类的字节码对象
            Class clazz = Singleton.class;
    //获取Singleton类的私有无参构造方法对象
            Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
    //取消访问检查
            constructor.setAccessible(true);
    //创建Singleton类的对象s1
            Singleton s1 = (Singleton) constructor.newInstance();
    //创建Singleton类的对象s2
            Singleton s2 = (Singleton) constructor.newInstance();
    //判断通过反射创建的两个Singleton对象是否是同一个对象
            System.out.println(s1 == s2);
        }
    }

false

## 2.4 问题的解决 ##

序列化、反序列方式破坏单例模式的解决方法

> 1）在Singleton类中添加readResolve() 方法，在反序列化时被反射调用，如果定义了这个方法，就返回这个方法的值，如果没有定义，则返回新new出来的对象。

public class Singleton implements Serializable {
        
    	//私有构造方法
    	private Singleton() {
        }
    	private static class SingletonHolder {
        
    		private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    	}
    	//对外提供静态方法获取该对象
    	public static Singleton getInstance() {
        
    		return SingletonHolder.INSTANCE;
    	}
    	/**
    	* 下面是为了解决序列化反序列化破解单例模式
    	*/
    	private Object readResolve() {
        
    		return SingletonHolder.INSTANCE;
    	}
    }

> 2)反射方式破解单例的解决方法  
> 通过反射方式调用构造方法进行创建创建时，直接抛异常。不运行此中操作。

public class Singleton {
        
    	//私有构造方法
    	private Singleton() {
        
    	/*
    	反射破解单例模式需要添加的代码
    	*/
    		if(instance != null) {
        
    			throw new RuntimeException();
    		}
    	}
    	private static volatile Singleton instance;
    	//对外提供静态方法获取该对象
    		public static Singleton getInstance() {
        
    			if(instance != null) {
        
    				return instance;
    			}
    		synchronized (Singleton.class) {
        
    			if(instance != null) {
        
    				return instance;
    			}
    			instance = new Singleton();
    			return instance;
    		}
    	}
    }

//私有构造方法
    private Singleton() {
        
    	/*
    	反射破解单例模式需要添加的代码
    	*/
    	if(instance != null) {
        
    	throw new RuntimeException();
    	}
    }

## 2.5 Runtime类使用的单例设计模式。 ##

JDK源码解析-Runtime类

### 1. 源代码查看单例模式 ###

> Runtime类使用的是恶汉式（静态属性）方式来实现单例模式的。

public class Runtime {
        
    	private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
    	/**
    	* Returns the runtime object associated with the current Java
    	application.
    	* Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
    	* methods and must be invoked with respect to the current runtime
    	object.
    	*
    	* @return the <code>Runtime</code> object associated with the
    	current
    	* Java application.
    	*/
    	public static Runtime getRuntime() {
        
    		return currentRuntime;
    	}
    	/** Don't let anyone else instantiate this class */
    	private Runtime() {
        }
    	...
    }

### 2. 使用Runtime类中的方法 ###

public class RuntimeDemo {
        
    	public static void main(String[] args) throws IOException {
        
    	//获取Runtime类对象
    	Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
    	//返回 Java 虚拟机中的内存总量。
    	System.out.println(runtime.totalMemory());
    	//返回 Java 虚拟机试图使用的最大内存量。
    	System.out.println(runtime.maxMemory());
    	//创建一个新的进程执行指定的字符串命令，返回进程对象
    	Process process = runtime.exec("ipconfig");
    	//获取命令执行后的结果，通过输入流获取
    	InputStream inputStream = process.getInputStream();
    	byte[] arr = new byte[1024 * 1024* 100];
    	int b = inputStream.read(arr);
    	System.out.println(new String(arr,0,b,"gbk"));
    	}
    }

[7c9f0e13d0d74847a69ea7f0f4223d58.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/7c9f0e13d0d74847a69ea7f0f4223d58.png
[cafef2e6c42d4003b65061a8129125d0.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/cafef2e6c42d4003b65061a8129125d0.png