单例模式的运用

待我称王封你为后i 2024-03-16 12:41 103阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  单例模式的运用
 *   *  一、介绍
     *  二、饿汉式
     *   *  2.1 静态变量方式
         *  2.2 静态代码块方式
         *  2.3 枚举方式
     *  三、懒汉式
     *   *  3.1 线程不安全方式
         *  3.2 线程安全方式
         *  3.3 双重检查锁方式
         *  3.4 静态内部类方式
     *  四、破坏单例模式
     *   *  4.1 序列化破坏
         *  4.2 序列化破坏解决办法
         *  4.3 反射破坏
         *  4.4 反射破坏解决办法

## 单例模式的运用 ##

### 一、介绍 ###

`单例模式`：属于创建型模式，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。

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。

### 二、饿汉式 ###

#### 2.1 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**。

/**
     * 静态变量创建类的对象
     */
    public class Singleton {
        
        // 私有类的无参构造
        private Singleton() {
        }
        // 给本类创建一个新的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰
        private static Singleton instance = new Singleton();
        // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
        public static Singleton getInstance(){
        
            return instance;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
              // 重复调用Singletion类的getInstance方法
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
            Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
            // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
            System.out.println(instance1 == instance2);//true
    }

#### 2.2 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**。所以和饿汉式的静态变量方式基本上一样，当然该方式也存在**内存浪费**问题。

/**
     * 静态变量创建类的对象
     */
    public class Singleton {
        
        // 私有的构造方法
        private Singleton(){
        }
        // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰
        private static Singleton instance;//null
        // 在静态代码块中进行赋值，创建Singleton的对象
        static{
        
            instance = new Singleton();
        }
        // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
        public static Singleton getInstance() {
        
            return instance;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
            // 重复调用Singletion类的getInstance方法
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
            Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
            // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
            System.out.println(instance1 == instance2);//true
    }

#### 2.3 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**只会加载一次**，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
    * 枚举方式属于恶汉式方式
    **/
    public enum Singleton {
        
        INSTANCE;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
        // 重复调用Singletion枚举类的INSTANCE
        Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;
        Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.println(instance1 == instance2);
    }

### 三、懒汉式 ###

#### 3.1 线程不安全方式 ####

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，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，在**多线程环境，出现线程安全问题**。

/**
     * 线程不安全
     */ 
    public class Singleton {
        
        // 私有的构造方法
        private Singleton(){
        }
        // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰
        private static Singleton instance;//null
        // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
        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
            // 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可
            if(instance == null){
        
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
            // 重复调用Singletion类的getInstance方法
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
            Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
            // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
            System.out.println(instance1 == instance2);//true
    }

#### 3.2 线程安全方式 ####

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。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该问题了。

/**
     * 线程安全
     */ 
    public class Singleton {
        
        // 私有的构造方法
        private Singleton(){
        }
        // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰
        private static Singleton instance;//null
        // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
        public static synchronized 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
            // 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可
            if(instance == null){
        
                // 加锁前，线程1、2都进入到该位置，此时就会出现创建多个对象的情况
                // 加锁后，线程1进入，线程2会在外面等待线程1运行完毕，释放锁后才继续执行
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
            // 重复调用Singletion类的getInstance方法
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
            Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
            // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
            System.out.println(instance1 == instance2);//true
    }

#### 3.3 双重检查锁方式 ####

该方式对懒汉模式中加锁的问题做出变化，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**。

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**。

/*
    * 双重检查锁
    * 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
    **/
    public class Singleton {
        
        // 私有的构造方法
        private Singleton(){
        }
        // 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰
        private static volatile Singleton instance;//null
        // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
        public static Singleton getInstance() {
        
            // 第一次判断，判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象，不需要抢占锁
            // 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可，读操作直接返回，没有加锁
            if(instance == null){
        
                // 第二次判断，写操作需要加锁
                synchronized (Singleton.class) {
        
                    if (instance == null) {
        
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
            // 重复调用Singletion类的getInstance方法
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
            Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
            // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
            System.out.println(instance1 == instance2);//true
    }

#### 3.4 静态内部类方式 ####

该方式的实例由**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**。

静态内部类方式在**没有加任何锁**的情况下，保证**线程安全**，并且**没有任何性能影响和空间的浪费**。

/*
    * 静态内部类方式
    * 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。
    **/
    public class Singleton {
        
        // 私有的构造方法
        private Singleton(){
        }
        //定义一个静态内部类
        private static class SingletonHolder {
        
            //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
        }
        // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
        public static Singleton getInstance() {
        
            // 内部类直接调用对象
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
            // 重复调用Singletion类的getInstance方法
            Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
            Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
            // 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式
            System.out.println(instance1 == instance2);//true
    }

### 四、破坏单例模式 ###

#### 4.1 序列化破坏 ####

代码运行结果是`false`，表明序列化和反序列化已经破坏了单例设计模式。

对象里面的值是一样的，只不过对象的引用不一样，相当于是两个对象，涉及到了深拷贝

/**
     * 静态内部类方式的单列模式
     */
    public class Singleton implements Serializable {
        
        // 私有的构造方法
        private Singleton(){
        }
        //定义一个静态内部类
        private static class SingletonHolder {
        
            //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
        }
        // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
        public static Singleton getInstance() {
        
            // 内部类直接调用对象
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
    }
    
    public class Client {
        
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
    //        writeObjectToFile();
            Singleton s1 = readObjectFromFile();
            Singleton s2 = readObjectFromFile();
            System.out.println(s1 == s2);
        }
        // 使用序列化向文件中写数据（对象）
        private static void writeObjectToFile() throws IOException {
        
            // 获取Singleton对象
            Singleton instance = Singleton.getInstance();
            // 创建对象输出流对象
            ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\a.txt"));
            // 将对象写入
            objectOutputStream.writeObject(instance);
            // 释放资源
            objectOutputStream.close();
        }
        // 使用反序列化读取文件的数据（对象）
        private static Singleton readObjectFromFile() throws Exception {
        
            // 创建对象输入流对象
            ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\a.txt"));
            // 读取对象
            Singleton instance = (Singleton) objectInputStream.readObject();
            System.out.println(instance);
            // 释放资源
            objectInputStream.close();
            return instance;
        }
    }

#### 4.2 序列化破坏解决办法 ####

想要解决序列化、反序列化对单例模式的破坏，我们需要在Singleton类中添加`readResolve()`方法，在其被反序列化时调用，返回这个方法的值（对象）。 **原理**是在输入流对象的readObject方法的底层实现中，如果发现输入的是对象类型， 则会调用`readOrdinaryObject`方法，该方法中会自动执行`hasReadResolveMethod`方法，来判断类中是否有`readResolve`方法，如果有，则会去执行`invokeReadResolve`方法来获取类中专门提供的实例，从而解决反序列化破坏单例模式的问题。

// 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;
    }

#### 4.3 反射破坏 ####

代码运行结果是`false`，表明反射已经破坏了单例设计模式。

/**
     * 静态内部类方式的单列模式
     */
    public class Singleton implements Serializable {
        
        // 私有的构造方法
        private Singleton(){
        }
        //定义一个静态内部类
        private static class SingletonHolder {
        
            //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
        }
        // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
        public static Singleton getInstance() {
        
            // 内部类直接调用对象
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
    }
    
    public class Client {
        
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            // 获取Singleton字节码对象
            Class<Singleton> singletonClass = Singleton.class;
            // 获取无参构造方法对象
            Constructor<Singleton> declaredConstructor = singletonClass.getDeclaredConstructor();
            // 取消访问检查
            declaredConstructor.setAccessible(true);
            // 创建Singleton对象
            Singleton s1 = (Singleton) declaredConstructor.newInstance();
            Singleton s2 = (Singleton) declaredConstructor.newInstance();
            // 结果返回false，说明反射破坏了单例模式
            System.out.println(s1 == s2);
        }
    }

#### 4.4 反射破坏解决办法 ####

当通过反射方式调用构造方法进行创建创建时，直接抛异常。不运行此次操作。

/**
     * 静态内部类方式的单列模式
     */
    public class Singleton {
        
        // 定义一个flag判断是否已经创建过对象
        private static boolean flag = false;
        // 给私有构造方法添加锁，预防线程安全问题
        private Singleton(){
        
            synchronized(Singleton.class){
        
                // flag为false则跳过，直接正常创建，若flag为true，说明已经创建过，抛出异常
                if(flag){
        
                    throw new RuntimeException("不能创建多个对象");
                }
                // 第一次创建后，应该将flag设置为true
                flag = true;
            }
        }
        //定义一个静态内部类
        private static class SingletonHolder {
        
            //在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
        }
        // 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法
        public static Singleton getInstance() {
        
            // 内部类直接调用对象
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
    }

`记录每一个学习瞬间`