创建型 - 单例模式(Singleton pattern)

朱雀 2023-09-24 15:29 41阅读 0赞

> 单例模式（Singleton Pattern）：确保一个类有且只有一个实例，并提供一个全局访问点。

#### 文章目录 ####

*   *  懒汉式-线程不安全
     *  饿汉式-线程安全
     *  懒汉式-线程安全
     *  双重校验锁-线程安全
     *  静态内部类实现
     *  枚举实现
     *  实现方式总结
     *  使用场景
     *  JDK

### 懒汉式-线程不安全 ###

以下实现中，私有静态变量 `uniqueInstance` 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 `uniqueInstance`，从而节约资源。这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 `if (uniqueInstance == null)`，并且此时 `uniqueInstance` 为 `null`，那么会有多个线程执行 `uniqueInstance = new Singleton()`; 语句，这将导致多次实例化 `uniqueInstance`。

public class Singleton {
        
    
        private static Singleton uniqueInstance;
    
        private Singleton() {
        
        }
    
        public static Singleton getUniqueInstance() {
        
            if (uniqueInstance == null) {
        
                uniqueInstance = new Singleton();
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

### 饿汉式-线程安全 ###

线程不安全问题主要是由于 `uniqueInstance` 被多次实例化，采取直接实例化 `uniqueInstance` 的方式就不会产生线程不安全问题。但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

### 懒汉式-线程安全 ###

只需要对 `getUniqueInstance()` 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了多次实例化 `uniqueInstance` 的问题。但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，因此性能上有一定的损耗。

public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
        
        if (uniqueInstance == null) {
        
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }

### 双重校验锁-线程安全 ###

`uniqueInstance` 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 `uniqueInstance` 没有被实例化时，才需要进行加锁。双重校验锁先判断 `uniqueInstance` 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

public class Singleton {
        
    
        private volatile static Singleton uniqueInstance;
    
        private Singleton() {
        
        }
    
        public static Singleton getUniqueInstance() {
        
            if (uniqueInstance == null) {
        
                synchronized (Singleton.class) {
        
                    if (uniqueInstance == null) {
        
                        uniqueInstance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 `if` 语句。在 `uniqueInstance == null` 的情况下，如果两个线程同时执行 `if` 语句，那么两个线程就会同时进入 `if` 语句块内。虽然在 `if` 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 `uniqueInstance = new Singleton();` 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化，从而产生了两个实例。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 `if` 语句。

if (uniqueInstance == null) {
        
        synchronized (Singleton.class) {
        
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
    }

`uniqueInstance` 采用 `volatile` 关键字修饰也是很有必要的。`uniqueInstance = new Singleton();` 这段代码其实是分为三步执行。

1.  分配内存空间
2.  初始化对象
3.  将 `uniqueInstance` 指向分配的内存地址

但是由于 `JVM` 具有指令重排的特性，有可能执行顺序变为了 `1>3>2`，这在单线程情况下自然是没有问题。但如果是多线程下，有可能获得是一个还没有被初始化的实例，以致于程序出错。使用 `volatile` 可以禁止 `JVM` 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

### 静态内部类实现 ###

当 `Singleton` 类加载时，静态内部类 `SingletonHolder` 没有被加载进内存。只有当调用 `getUniqueInstance()` 方法从而触发 `SingletonHolder.INSTANCE` 时 `SingletonHolder` 才会被加载，此时初始化 `INSTANCE` 实例。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由虚拟机提供了对线程安全的支持。

public class Singleton {
        
    
        private Singleton() {
        
        }
    
        private static class SingletonHolder {
        
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
        }
    
        public static Singleton getUniqueInstance() {
        
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
    }

### 枚举实现 ###

这是单例模式的最佳实践，它实现简单，并且在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候，能够防止实例化多次。

public enum Singleton {
        
        uniqueInstance;
        private static String name;
    
        private void Singleton(){
        
        }
        public void doSomething() {
        
            System.out.println(name);
        }
    
    
        /**
         * 使用内部类注入
         * @author:  yh
         * @date:  2022/12/11
         */
        @Component
        static class PeopleEnumContainer {
        
            @Value("${people.name}")
            public void init(String name) {
        
                Singleton.name = name;
            }
        }
    }

Java规范中规定，每一个枚举类型及其定义的枚举变量在JVM中都是唯一的，因此在枚举类型的序列化和反序列化上，Java做了特殊的规定。这里利用枚举的特性，让JVM来帮我们保证线程安全和单一实例的问题。

@Test
        public void singletonEnum() {
        
            Singleton bean = Singleton.uniqueInstance;
            Singleton bean2 = Singleton.uniqueInstance;
    
            System.out.println(bean);
            System.out.println(bean2);
            System.out.println(bean == bean2);
    
            Singleton.uniqueInstance.doSomething();
        }

如果不使用枚举来实现单例模式，会出现反射攻击，因为通过 `setAccessible()` 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 `public`，然后调用构造函数从而实例化对象。如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止实例化第二个对象的代码。

### 实现方式总结 ###

![在这里插入图片描述][38b51adf6e6b42b297737d0ab8ce40d8.png]

### 使用场景 ###

*  Logger Classes
 *  Configuration Classes
 *  Accesing resources in shared mode
 *  Factories implemented as Singletons

### JDK ###

[java.lang.Runtime\#getRuntime()][java.lang.Runtime_getRuntime]  
[java.awt.Desktop\#getDesktop()][java.awt.Desktop_getDesktop]  
[java.lang.System\#getSecurityManager()][java.lang.System_getSecurityManager]

> 文章略加修改，出处：https://pdai.tech/md/dev-spec/pattern/2\_singleton.html

[38b51adf6e6b42b297737d0ab8ce40d8.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/38b51adf6e6b42b297737d0ab8ce40d8.png
[java.lang.Runtime_getRuntime]: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Runtime.html#getRuntime%28%29
[java.awt.Desktop_getDesktop]: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/awt/Desktop.html#getDesktop--
[java.lang.System_getSecurityManager]: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/System.html#getSecurityManager--