Java设计模式系列（1）：单例模式

布鸽不鸽 Lv4
  2023-06-21 16:48:48 2023-06-21 16:48:48 创建   2023-06-23 22:01:35 2023-06-23 22:01:35 更新    1.3k 字  5 分钟  

前言

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种模式涉及单一的类，需确保代码中最多只有一个该类对象被创建。

原文地址：https://xuedongyun.cn/post/25714/

懒汉式

饿汉式，在一开始就创建对象

方法一：静态成员变量

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public class Singleton {
    // 私有化构造器
    private Singleton() {}
    
    // 成员变量位置创建对象
    private static Singleton instance = new Singleton();
    
    // 静态方法提供对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

方法二：静态代码块

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public class Singleton {
    private Singleton() {}

    private static Singleton instance;
	
    // 使用静态代码块
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

饿汉式

方式一：线程不安全

第一次使用时才创建对象

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// 线程不安全
public class Singleton {
    private Singleton() {}

    private static Singleton instance;

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

方式二：线程安全

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// 线程安全，使用synchronized关键词
public class Singleton {
    private Singleton() {}

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

方式三：双重检查锁

因为绝大多数操作都是读操作，给方法加锁影响性能，可以改为：

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public class Singleton {
    private Singleton() {}

    private static Singleton instance;
	
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 写操作时，给类加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                // 抢到锁的时候还要判断一下是否已经被竞争者赋过值了
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

上述代码看起来很完美，但实际上可能会有空指针问题，原因是JVM在实例化对象的时候会进行指令重排

在java中，创建对象实际上不是不是原子操作，而是有三步：

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// 1. 分配对象的内存空间
memory = allocate(); 

// 2. 初始化对象
ctorInstance(memory);

// 3. 设置instance指向刚分配的内存地址
instance = memory;

指令重排后，就可能变成：

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// 1. 分配对象的内存空间
memory = allocate(); 

// 2. 设置instance指向刚分配的内存地址
instance = memory;

// 3. 初始化对象
ctorInstance(memory);

上述懒汉式代码中，很有可能：某个线程获取了非空instance，但是此时还没来得及初始化。我们可以使用volatile关键词来解决这个问题

volatile 关键字有如下特征：

  • 可见性：当一个线程修改了这个变量的值，volatile保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。但普通变量做不到这点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存
  • 禁止指令重排序优化：被volatile 修饰的变量，不会被JVM指令重排
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public class Singleton {

    private Singleton() {}
	
    // 使用volatile关键词解决指令重排的问题
    private static volatile Singleton instance;

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

方式四：静态内部类

首次使用时，静态内部类才会被加载，进而初始化INSTANCE。这是开源项目中一种较为常见的单例模式

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public class Singleton {
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

方法五：枚举方式

这是一种极力推荐的单例实现模式，因为枚举类是线程安全的，且只会装载一次。枚举类无法使用反射创建，因此是唯一不会被破坏的单例模式。

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public enum Singleton {
    INSTANCE;
    private int value;
    private String name;
    // ...
}

存在的问题

序列化和反射能破坏单例模式（枚举方法除外）

序列化破坏单例模式

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Singleton instance = Singleton.getInstance();

// 序列化后存入文件
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("C:/test.txt"));
oos.writeObject(instance);

// 从文件中读取
ObjectInputStream ois1 = new ObjectInputStream(new FileInputStream("C:/test.txt"));
Singleton singleton1 = (Singleton) ois1.readObject();

// 从文件中读取
ObjectInputStream ois2 = new ObjectInputStream(new FileInputStream("C:/test.txt"));
Singleton singleton2 = (Singleton) ois2.readObject();

// singleton1和singleton2是两个对象，单例模式被破坏

反射破坏单例模式

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Class<Singleton> clazz = Singleton.class;
Constructor<Singleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);

Singleton singleton1 = constructor.newInstance();
Singleton singleton2 = constructor.newInstance();

解决方法

解决序列化破坏

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public class Singleton implements Serializable {
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
    
    // 解决序列化，反序列化破解单例模式
    private Object readResolve() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

原理：可以看看ObjectInputStream.readObject的源码：

readObject->readObject0->readOrdinaryObject->如果有readResolve()方法，在反序列化的时候会调用该方法返回对象

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if (obj != null && handles.lookupException(passHandle) == null && desc.hasReadResolveMethod()) {
	Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
    // ...
}

解决反射破坏

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public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {
        
        // 被反射调用时，直接抛出错误
        if(instance != null) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }
    
    // ...
}

JDK源码-Runtime类

Runtime类使用饿汉式（静态变量）实现

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public class Runtime {
    private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();

    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }
}

Runtime类的使用

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Runtime runtime = Runtime.getRuntime();

// 虚拟机内存总量
long totalMemory = runtime.totalMemory();
System.out.println("totalMemory = " + totalMemory);

// 虚拟机试图使用的最大内存量
long maxMemory = runtime.maxMemory();
System.out.println("maxMemory = " + maxMemory);

// 创建新的进程，执行指定的字符串命令，返回进程对象
Process process = runtime.exec("ipconfig");

// 通过输入流，获取命令执行后的结果
InputStream is = process.getInputStream();
byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 100];
int i = is.read(bytes);
System.out.println(new String(bytes, 0, i, "gbk"));
  • 标题: Java设计模式系列（1）：单例模式
  • 作者: 布鸽不鸽
  • 创建于 : 2023-06-21 16:48:48
  • 更新于 : 2023-06-23 22:01:35
  • 链接: https://xuedongyun.cn//post/25714/
  • 版权声明: 本文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 进行许可。
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此页目录
Java设计模式系列（1）：单例模式
  1. 前言
  2. 懒汉式
    1. 方法一：静态成员变量
    2. 方法二：静态代码块
  3. 饿汉式
    1. 方式一：线程不安全
    2. 方式二：线程安全
    3. 方式三：双重检查锁
    4. 方式四：静态内部类
    5. 方法五：枚举方式
  4. 存在的问题
    1. 序列化破坏单例模式
    2. 反射破坏单例模式
    3. 解决方法
  5. JDK源码-Runtime类