【设计模式】单例模式

慢慢来，才比较快

单例模式属于对象创建型模式，它要求系统中只生成一个实例，提供了一种创建对象的最佳方式

？那么如何保证类中只有一个实例并且这个实例易于被访问呢

一个很好的解决的方法就是让这个类本身保存它的唯一实例，这个类需要保证没有其他实例被创建，并且它可以提供访问该实例的方法。

所以我们可以得出单例模式的定义：单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。这个类称为单例类，它提供一个public方法。

因此单例模式的一个特点就是构造方法是私有的，这样就可以防止外界随意调用来产生实例（但是反射可以改变权限）

单例模式分为懒汉式和饿汉式，饿汉式是类加载的时候就初始化，而懒汉式是使用的时候才加载

单例模式的实现

饿汉式：

采用静态成员变量，在类加载的时候创建实例，如果用不到这个类会造成内存资源的浪费，因为单例实例引用不可变，所以是线程安全的

public class Singleton {//1.私有构造方法private Singleton() {}//2.在本类中创建该类对象private static Singleton instance = new Singleton();public static Singleton getInstance(){return instance;}
}

第一种方法的变种

public class Singleton {//私有构造方法private Singleton() {}//声明Singleton类型的变量private static Singleton instance;static {instance = new Singleton();}public static Singleton getInstance(){return instance;}
}

通过枚举类实现单例模式，我们知道枚举反编译之后实际是由jvm创建一个final类去继承Enum类，通过static来加载，因此也属于饿汉式，枚举是线程安全的并且只会被装载一次，是唯一一种不会被破坏的单例模式。Java反编译以及语法糖。

public enum EnumInstance {INSTANCE;}

懒汉式：

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

但是这种写法，很明显不是线程安全的。如果多个线程在该类初始化之前,有大于一个线程调用了getinstance方法且lazySingleton == null 判断条件都是正确的时候，这个时候就会导致new出多个LazySingleton实例。
解决的话可以在getInstance方法上加sychronized锁，但这种方式锁粒度太大，学过并发编程的同学应该都会记得有一个DCL（DoubleCheckedLocking），所以这里改进可以使用双重检查的方式

public class Singleton {private Singleton(){}private static Singleton instance;public static Singleton getInstance(){//先判断是否已经创建了实例if(instance == null){//当有多个线程进入这里时，加锁控制，只有一个线程可以进入下一步，如果条件成立则new出来//一个实例，轮到其他的线程判断的时候自然就就为假了，问题大致解决。synchronized (Singleton.class){if (instance == null){instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

对JMM熟悉的同学应该会发现，就算用了双重检查，也还是会出现问题。因为在编译过程中，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序，重排序对单线程并没有影响，但是在多线程情况下就有可能得出意料之外的结果。

eg：

instance = new Singleton();

执行的时候正常是这样的：

分配内存给这个对象
初始化对象
设置Singleton指向刚分配的内存地址。

但重排序之后就有可能变为这样：

分配内存给这个对象
设置Singleton指向刚分配的内存地址
初始化对象

这样就还是会造成多线程的问题，比如说有两个线程 t1 和 t2 ，t1进入了第一个if之中，并且拿到了锁，进行了new Singleton();语句，在加载构造类的实例的时候，设置Singleton指向刚分配的内存地址，但是还没有初始化对象。线程2判断 if(instance == null) 为假，直接返回了 instance ，但此时还没有初始化，这就出了问题。

当然这个很好改进，从禁用重排序方面下手，添加一个volatile。

    private volatile static Singleton instance = null;

还有一个方法可以很好的避免这个问题：
定义一个静态内部类（基于类初始化的延迟加载），其静态字段实例化了一个单例。获取单例需要调用getInstance方法间接获取。

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

单例模式的破坏和防范

序列化破坏：

对饿汉式和懒汉式都起效

public class Singleton implements Serializable {//1.私有构造方法private Singleton() {}//2.在本类中创建该类对象private static Singleton instance = new Singleton();public static Singleton getInstance(){return instance;}
}

单例类先实现序列化接口

/*** @Author: ekin* @Date: 2021/7/3 17:45*/public class Client {public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {Singleton instance = Singleton.getInstance();ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton"));oos.writeObject(instance);File file = new File("singleton");ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();System.out.println(instance);System.out.println(newInstance);System.out.println(instance == newInstance);}
}

测试

结果发现对象不一样，原因就涉及到序列化的底层原因了，我们先看解决方式：

单例类代码中添加下面这段代码

    private Object readResolve() {return instance;}

结果：
原因：

在反序列化时，程序会检查如果单例类有readResolve方法时，则调用该方法的返回值，如果没有，则通过反射创建一个新实例

反射破坏：

public class Client {public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {Class clazz = Singleton.class;Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();constructor.setAccessible(true);//打开构造器权限Singleton instance = Singleton.getInstance();Singleton newInstance = (Singleton) constructor.newInstance();System.out.println(instance);System.out.println(newInstance);System.out.println(instance == newInstance);}
}

这里强行破开了private的构造方法的权限，使得能new出来一个单例实例。

解决：

饿汉式：

    private Singleton() {if (instance != null){throw new RuntimeException("禁止反射调用");}}

懒汉式：

//当通过构造器产生实例时，该类没有实例
Singleton instance = constructor.newInstance();
Singleton newInstance = Singleton.getInstance();

暂时无法防止

枚举单例模式的好处

防范序列化破坏单例：

当进行反序列化读取时，调用顺序为
最后一个方法读取的仍然是原来的实例

防范反射破坏单例：

当进行反射的实例获取时，会出现异常

/*** @Author: ekin* @Date: 2021/7/3 20:52*/
public class Client {public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {Class clazz = com.ekin.softwaredesign.singleton.demo6.Singleton.class;Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();constructor.setAccessible(true);com.ekin.softwaredesign.singleton.demo1.Singleton instance = com.ekin.softwaredesign.singleton.demo1.Singleton.getInstance();com.ekin.softwaredesign.singleton.demo1.Singleton newInstance = (Singleton) constructor.newInstance();System.out.println(instance);System.out.println(newInstance);System.out.println(instance == newInstance);}
}

原因是在 Constructor 中有这么一段话

if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");

表示如果是枚举则不能反射。

单例模式总结：

优点：

在内存中只有一个实例，减少了资源的开销
可以避免对资源的多重占用

缺点：

没有接口，扩展困难

单例模式可以跟工厂模式搭配使用。

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