一文完全解读单例模式

悠悠 2024-03-25 20:01 67阅读 0赞

### 前言 ###

单例模式是一种设计模式，用于将类的实例化限制为一个对象。这意味着只能创建该类的一个实例，任何创建其他实例的尝试都将返回对第一个实例的引用。这在只拥有一个类的一个实例很重要的情况下很有用，例如在管理对共享资源的访问或控制对全局资源的访问时。

单例模式的一个常见用例是管理对数据库连接池的访问。在这种情况下，单例类将管理连接池的创建和初始化，并为其他类提供从池中请求连接的方法。这样可以确保只有一个连接池，有助于防止资源耗尽并提高性能。

单例模式的另一个常见用例是控制对共享资源的访问，例如日志类或配置对象。在这些情况下，单例类将管理共享资源的初始化和配置，并为其他类提供访问和使用资源的方法。这确保所有类都使用相同的共享资源，这有助于防止不一致并改进整体系统行为。

一般而言，单例模式在需要恰好拥有一个类的一个实例并控制对该实例的访问时非常有用。它可以帮助提高性能并确保在需要管理共享资源或全局状态的情况下的一致性。

### 实现的几种方式 ###

#### 使用静态字段来保存实例： ####

public class Singleton {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    
        private Singleton() {}
    
        public static Singleton getInstance() {
            return instance;
        }
    }
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#### 使用静态方法创建和返回实例： ####

public class Singleton {
        private static Singleton instance;
    
        private Singleton() {}
    
        public static Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
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#### 使用静态内部类来保存实例： ####

public class Singleton {
        private static class SingletonHolder {
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
        }
    
        private Singleton() {}
    
        public static Singleton getInstance() {
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
    }
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在所有这些实现中，该`getInstance()`方法提供了对单例实例的全局访问点，单例实例是在第一次调用该方法时创建的。这允许其他类访问单例而无需创建它们自己的实例。

#### 使用枚举来保存实例： ####

public enum Singleton {
        INSTANCE;
    
        public void doSomething() {
            // Perform some action
        }
    }
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在这个实现中，单例实例被定义为一个枚举，它提供了一种简单高效的方式来实现单例模式。该`doSomething()`方法可用于对单例实例执行某些操作。

#### 使用同步方法创建和返回实例： ####

public class Singleton {
        private static Singleton instance;
    
        private Singleton() {}
    
        public static synchronized Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
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在这个实现中，`getInstance()`方法是同步的，这确保了一次只有一个线程可以执行它。这在多线程环境中很有用，可以防止多个线程创建单例的多个实例。

#### 使用双重检查锁定来创建和返回实例： ####

public class Singleton {
        private volatile static Singleton instance;
    
        private Singleton() {}
    
        public static Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized(Singleton.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }
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在此实现中，该`getInstance()`方法使用双重检查锁定来确保仅在需要时才创建单例实例。`getInstance()`这可以通过避免每次调用时同步方法的开销来提供更好的性能。

### 破坏单例的几种方式 ###

#### 反射 ####

反射可用于调用单例类的私有构造函数并创建一个新实例，绕过阻止创建多个实例的访问控制检查：

Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
    
    Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Singleton instance2 = constructor.newInstance();
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#### 序列化和反序列化 ####

序列化和反序列化可用于创建单例类的新实例：

Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
    
    ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos);
    oos.writeObject(instance1);
    
    ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(baos.toByteArray());
    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bais);
    Singleton instance2 = (Singleton) ois.readObject();
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#### 克隆 ####

克隆可用于创建单例类的新实例：

Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
    
    Singleton instance2 = (Singleton) instance1.clone();
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为了防止这些和其他技术破坏单例模式，重要的是在单例类中实现`clone()`、`readResolve()`和`writeReplace()`方法以维护单例实例的完整性。

### 怎么防止被上述方式破坏 ###

#### 私有化构造方法 ####

public class Singleton {
        
       
    private static Singleton instance;
    
        private Singleton() {}
    
        public static Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
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#### 重写`clone()` ####

重写`clone()`单例类中的方法，调用时抛出异常：

@Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        throw new CloneNotSupportedException();
    }
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#### 重写`readResolve()` ####

重写`readResolve()`单例类中的方法返回单例实例，这样反序列化就不会创建新的实例：

private Object readResolve() {
        return getInstance();
    }
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#### 重写`writeReplace()` ####

重写`writeReplace()`单例类中的方法返回单例实例，这样序列化就不会创建新实例了：

private Object writeReplace() {
        return getInstance();
    }
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通过采取这些步骤，可以使单例模式对破坏或绕过它的尝试更具弹性。

### 哪些情况下可以使用单例模式 ###

单例模式的其他一些潜在用例包括实现全局事件总线或消息传递系统、管理对线程池或其他共享并发资源的访问，以及实现全局注册表或查找服务以管理不同组件之间的关系系统。在每一种情况下，单例模式都可用于确保只有一个相关类的实例，并为其他类提供一个中心访问点以使用资源或与系统交互。