设计模式（四）创建者模式之单例模式

2024-06-19 02:20
文章标签 设计模式 模式 单例 创建者

本文主要是介绍设计模式（四）创建者模式之单例模式，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

单例模式

  • 单例设计模式
  • 单例模式的结构
  • 单例模式的实现
    • 饿汉式-方式1（静态变量方式）
    • 饿汉式-方式2（静态代码块方式）
    • 懒汉式-方式1（线程不安全）
    • 懒汉式-方式2（线程安全） synchronized 关键字
    • 懒汉式-方式3（双重检查锁）
    • 懒汉式-方式4（静态内部类方式）
    • 枚举方式
    • 存在的问题
      • 破坏单例模式：
        • 序列化反序列化
        • 反射
    • 问题的解决
      • 序列化、反序列方式破坏单例模式的解决方法
      • 反射方式破解单例的解决方法

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。

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。

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

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

饿汉式-方式1（静态变量方式）

package com.lx.design.creator.single;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-饿汉式*  静态变量创建类的对象*/
public class SingleDemo {//私有构造方法private    SingleDemo (){}//在成员位置创建该类的对象private static SingleDemo singleDemo=new SingleDemo();//对外提供静态方法获取该对象public static SingleDemo getSingleDemo(){return singleDemo;}
}

说明：
​ 该方式在成员位置声明SingleDemo 类型的静态变量，并创建SingleDemo 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。

饿汉式-方式2（静态代码块方式）

package com.lx.design.creator.single;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-饿汉式*  在静态代码块中创建该类对象*/
public class SingleDemo2 {//私有构造方法private SingleDemo2(){}//在成员位置创建该类的对象private static SingleDemo2 instance ;static  {instance=new SingleDemo2();}//对外提供静态方法获取该对象public static  SingleDemo2 getSingleDemo(){return instance;}
}

说明：
该方式在成员位置声明SingleDemo2 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(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。

懒汉式-方式1（线程不安全）

package com.lx.design.creator.single;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-懒汉式* 线程不安全*/
public class SingleDemo3 {//私有构造方法private SingleDemo3() {}//在成员位置创建该类的对象private static SingleDemo3 instance;//对外提供静态方法获取该对象public  static SingleDemo3 getSingleDemo() {if (instance == null) {instance = new SingleDemo3();}return instance;}
}

说明：
从上面代码我们可以看出该方式在成员位置声明SingleDemo3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getSingleDemo()方法获取SingleDemo3类的对象的时候才创建SingleDemo3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-方式2（线程安全） synchronized 关键字

package com.lx.design.creator.single;/**
* TODO 添加描述
*
* @author lx
* @date 2024/6/15 12:46
* 单例模式-懒汉式
* 线程 安全
*/
public class SingleDemo4 {//私有构造方法private SingleDemo4() {}//在成员位置创建该类的对象private static SingleDemo4 instance;//对外提供静态方法获取该对象public static synchronized SingleDemo4 getSingleDemo() {if (instance == null) {instance = new SingleDemo4();}return instance;}
}

说明：
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getSingleDemo()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-方式3（双重检查锁）

再来讨论一下懒汉模式中加锁的问题，对于 getSingleDemo() 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
​

package com.lx.design.creator.single;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-懒汉式* 线程 安全*/
public class SingleDemo5 {//私有构造方法private SingleDemo5() {}//在成员位置创建该类的对象private static SingleDemo5 instance;//对外提供静态方法获取该对象public static synchronized SingleDemo5 getSingleDemo() {//第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例if(instance == null) {synchronized (SingleDemo5.class) {//抢到锁之后再次判断是否为nullif(instance == null) {instance = new SingleDemo5();}}}return instance;}
}

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。

更改 instance 成员变量被volatile修饰

package com.lx.design.creator.single;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-懒汉式* 线程 安全*/
public class SingleDemo5 {//私有构造方法private SingleDemo5() {}//在成员位置创建该类的对象private static  volatile SingleDemo5 instance;//对外提供静态方法获取该对象public static  SingleDemo5 getSingleDemo() {//第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例if(instance == null) {synchronized (SingleDemo5.class) {//抢到锁之后再次判断是否为nullif(instance == null) {instance = new SingleDemo5();}}}return instance;}
}

小结：
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。

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, 只有内部类的属性或者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。

package com.lx.design.creator.single;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-静态内部类方式*/
public class SingleDemo6 {//私有构造方法private SingleDemo6() {}private static class SingletonHolder {private static final SingleDemo6 INSTANCE = new SingleDemo6();}//对外提供静态方法获取该对象public static SingleDemo6 getInstance() {//访问内部类中的属性或者方法。才会加载内部类。//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return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

说明：
第一次加载SingleDemo6 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。

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;
}

说明：
​ 枚举方式属于恶汉式方式。

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。

序列化反序列化
package com.lx.design.creator.single;import java.io.Serializable;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-静态内部类方式*/
public class SingleDemo6 implements Serializable {//私有构造方法private SingleDemo6() {}private static class SingletonHolder {private static final SingleDemo6 INSTANCE = new SingleDemo6();}//对外提供静态方法获取该对象public static SingleDemo6 getInstance() {//访问内部类中的属性或者方法。才会加载内部类。//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return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

测试 Test1 类

package com.lx.design.creator.single;import java.io.*;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-静态内部类方式*/
public class Test1 implements Serializable {public static void main(String[] args) throws Exception {//往文件中写对象writeObject2File();//从文件中读取对象SingleDemo6 s1 = readObjectFromFile();SingleDemo6 s2 = readObjectFromFile();//判断两个反序列化后的对象是否是同一个对象System.out.println(s1 == s2);}private static SingleDemo6 readObjectFromFile() throws Exception {//创建对象输入流对象ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\SingleDemo6.txt"));//第一个读取Singleton对象SingleDemo6 instance = (SingleDemo6) ois.readObject();return instance;}public static void writeObject2File() throws Exception {//获取Singleton类的对象SingleDemo6 instance = SingleDemo6.getInstance();//创建对象输出流ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\SingleDemo6.txt"));//将instance对象写出到文件中oos.writeObject(instance);}}

上面代码运行结果是false，表明序列化和反序列化已经破坏了单例设计模式

反射

**Test2 **

  package com.lx.design.creator.single;import java.io.*;
import java.lang.reflect.Constructor;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-静态内部类方式*/
public class Test2 implements Serializable {public static void main(String[] args) throws Exception {//获取Singleton类的字节码对象Class clazz = SingleDemo5.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s1SingleDemo5 s1 = (SingleDemo5) constructor.newInstance();//创建Singleton类的对象s2SingleDemo5 s2 = (SingleDemo5) 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);}
}

上面代码运行结果是false，表明序列化和反序列化已经破坏了单例设计模式

注意：枚举方式不会出现这两个问题。

问题的解决

序列化、反序列方式破坏单例模式的解决方法

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。

package com.lx.design.creator.single;import java.io.Serializable;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-静态内部类方式*/
public class SingleDemo6 implements Serializable {//私有构造方法private SingleDemo6() {}private static class SingletonHolder {private static final SingleDemo6 INSTANCE = new SingleDemo6();}//对外提供静态方法获取该对象public static SingleDemo6 getInstance() {//访问内部类中的属性或者方法。才会加载内部类。//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;}
}

再次执行Test1 发现返回true

反射方式破解单例的解决方法

package com.lx.design.creator.single;/*** TODO 添加描述** @author lx* @date 2024/6/15 12:46* 单例模式-懒汉式* 线程 安全*/
public class SingleDemo5 {//判断是否已经实例化对象标识private static  boolean flag =false;//私有构造方法private SingleDemo5() {//判断是否已经实例化对象if (flag){throw new RuntimeException();}//更改  flag =true;}//在成员位置创建该类的对象private static  volatile SingleDemo5 instance;//对外提供静态方法获取该对象public static   SingleDemo5 getSingleDemo() {//第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例if(instance == null) {synchronized (SingleDemo5.class) {//抢到锁之后再次判断是否为nullif(instance == null) {instance = new SingleDemo5();}}}return instance;}
}

说明:
这种方式比较好理解。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。不运行此中操作。

这篇关于设计模式（四）创建者模式之单例模式的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1073733。

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