设计模式之单例模式(Singleton Pattern)深入浅出
单例模式介绍:单例模式是指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例,并且提供一个全局的访问点。隐藏其所有构造方法,属于创新型模式。
常见的单例有:ServletContext、ServletConfig、ApplicationContext、DBPool
单例模式的优点:
- 在内存中只有一个实例,减少内存开销。
- 可以避免对资源的占用
- 设置全局访问点,严格控制访问
单例模式的缺点:
- 没有接口,扩展困难
- 如果要扩展单例对象,只有修改代码,没有其他捷径
以下是单例模式的种类及优缺点分析
饿汉式单例
在单例类首次加载时就创建实例
第一种写法:
public class HungrySingleton { private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton(); private HungrySingleton() {
} public static HungrySingleton getInstance() {
return hungrySingleton;
}
}
第二种写法:
public class HungryStaticSingleton { private static final HungryStaticSingleton hungrySingleton; static {
hungrySingleton = new HungryStaticSingleton();
} private HungryStaticSingleton() {
} public static HungryStaticSingleton getInstance() {
return hungrySingleton;
}
}
缺点:单例实例在类装载时就构建,浪费资源空间
懒汉式单例
一、懒汉式第一种:
首先先简单实现以下
public class LazySimpleSingleton { private static LazySimpleSingleton lazySingleton = null; private LazySimpleSingleton() {
} public static LazySimpleSingleton getInstance() { if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazySimpleSingleton();
}
return lazySingleton;
}
}
我们用线程测一下在多线程场景下会不会出现问题
先创建一个线程类
public class ExectorTread implements Runnable { @Override
public void run() {
LazySimpleSingleton instance = LazySimpleSingleton.getInstance();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + instance);
}
}
测试
public class LazySimpleSingletonTest { public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Thread(new ExectorTread());
Thread t2 = new Thread(new ExectorTread()); t1.start();
t2.start(); System.out.println("Exector End");
}
}
运行结果
结果发现创建的对象不一样
如果在方法上加入锁会解决问题
public class LazySimpleSingleton { private static LazySimpleSingleton lazySingleton = null; private LazySimpleSingleton() {
} public synchronized static LazySimpleSingleton getInstance() { if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazySimpleSingleton();
}
return lazySingleton;
}
}
虽然jdk1.6之后对synchronized性能优化了不少,但是还是存在一定的性能问题,这种写法会造成整个类被锁住,大大降低了性能
于是我们有了新的写法
二、懒汉式第二种:
public class LazyDoubleCheckSingleton { private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazySingleton = null; private LazyDoubleCheckSingleton() {
}
// 适中方案
// 双重检查锁
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() { if (lazySingleton == null) {
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return lazySingleton;
}
}
知识补充:
1、线程安全性开发遵循三个原则:
- 原子性:即一个操作或者多个操作要么全部执行,要么都不执行
- 可见性:多个线程访问同一变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看到修改的值
- 有序性:程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行
通过对这段代码线程的debug发现,这里双重检查体现了可见性
2、JVM:CPU在执行的时候会转换成JVM指令
lazySingleton = new LazySimpleSingleton(); 这行代码实际进行了如下操作
- 第一步、分配内存给对象
- 第二步、初始化对象
- 第三步、将初始化对象和内存地址关联(赋值)
- 第四步、用户初次访问
在多线程环境中,第二步和第三步可能会发生颠倒,这就需要指令重排序,于是我们在变量声明上加上volatile关键字就很好的解决了问题
三、懒汉式第三种
通过内部类的方式实现
public class LazyInnerClassSingleton { private LazyInnerClassSingleton() {
} public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
return LazyHolder.LAZY;
} private static class LazyHolder {
private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
}
}
性能上最优的一种写法,全程没有用到synchronized,
通过懒加载饿汉式写法达到了懒汉式的目的,LazyHolder里面的逻辑要等到外面调用才执行,巧妙地运用了内部类的特性
有人会问这个不用考虑线程安全吗?其实这是利用了JVM底层的执行逻辑,完美的避开了线程安全性的问题
但是我们会考虑另一个问题,该类构造器虽然私有了,但是还是会被反射攻击,难逃反射法眼
我们来测试一下
public class LazyInnerClassSingletonTest { public static void main(String[] args) { try {
// 调用者装B,不走寻常路,显然搞坏了单例
Class<LazyInnerClassSingleton> clazz = LazyInnerClassSingleton.class;
Constructor<LazyInnerClassSingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);//强吻(问)
LazyInnerClassSingleton instance = constructor.newInstance();
System.out.println(instance);
// 正常调用
LazyInnerClassSingleton instance2 = LazyInnerClassSingleton.getInstance();
System.out.println(instance2);
System.out.println(instance == instance2); } catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果
针对反射问题我们有了以下解决办法
public class LazyInnerClassSingleton { private LazyInnerClassSingleton() {
if (LazyHolder.LAZY != null){
throw new RuntimeException("不允许构建多个实例");
}
} public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
return LazyHolder.LAZY;
} private static class LazyHolder {
private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
}
}
在私有构造方法上加上判断,如果已经对象被初始化就抛出异常
好的,被反射破坏的问题解决了,还会想到另一个问题,如果被反序列化对象还是单例吗?
知识点补充:反序列化是将已经持久的的字节码内容,转换为IO流,在转换过程中重新创建对象new。
我们拿饿汉式单例测试一下
单例类:
public class SeriableSingleton implements Serializable { private static final SeriableSingleton singleton = new SeriableSingleton(); private SeriableSingleton() {
} public static SeriableSingleton getInstance() {
return singleton;
}
}
测试类:
public class SeriableSingletonTest { public static void main(String[] args) { FileOutputStream fso = null;
SeriableSingleton s1 = null;
SeriableSingleton s2 = SeriableSingleton.getInstance(); try {
fso = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fso);
oos.writeObject(s2);
oos.flush();
oos.close(); FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
s1 = (SeriableSingleton) ois.readObject();
ois.close(); System.out.println(s1);
System.out.println(s2);
System.out.println(s1 == s2); } catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果
显然反序列化破坏了单例
现在我们通过源码寻找答案
进入readObject()方法
方法通过调用readObject0(false)返回结果,再次进入readObject0()方法
找到object类型,调用了checkResolve(readOrdinaryObject(unshared)),进入readOrdinaryObject方法
在这里我们找到了实例化对象的语句
obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
意思是如果这个对象能被初始化就实例化对象,否则等于null
在这里打个断点调试一下,确实实例化了对象,存在私有构造方法也会实例化对象
接着往下看
如果desc.hasReadResolveMethod()返回true,就调用Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);返回obj
进入hasReadResolveMethod
源码分析过后发现这个hasReadResolveMethod()方法是用来判断readResolve方法是否存在,如果存在返回true,不存在返回false
再看invokeReadResolve()方法
返回了readResolve这个方法的返回值,
所以经过这个判断会重新加载对象并返回
接下来我们得出结论,代码增加重写方法readResolve
public class SeriableSingleton implements Serializable { private static final SeriableSingleton singleton = new SeriableSingleton(); private SeriableSingleton() {
} public static SeriableSingleton getInstance() {
return singleton;
} protected Object readResolve() {
return singleton;
}
}
再次运行解决了序列化的问题
但是值得我们注意的是,重写readResolve方法只不过是覆盖了反序列化出来的对象,对象还是创建了2次,
由于发生再JVM层面,相对来说比较安全,在之前没有被引用的对象会被GC回收(JVM知识点)
注册式单例
一、第一种写法
使用枚举类实现单例模式,也是《Effictive Java》这本书推荐的写法
public enum EnumSingleton { INSTANCE; private Object data; public Object getData() {
return data;
} public void setData(Object data) {
this.data = data;
} public static EnumSingleton getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
1、首先判断线程安全性
通过反编译工具JAD得到枚举类的源码,附:JAD下载地址
public final class EnumSingleton extends Enum
{ public static EnumSingleton[] values()
{
return (EnumSingleton[])$VALUES.clone();
} public static EnumSingleton valueOf(String name)
{
return (EnumSingleton)Enum.valueOf(com/zc/singleton/register/EnumSingleton, name);
} private EnumSingleton(String s, int i)
{
super(s, i);
} public Object getData()
{
return data;
} public void setData(Object data)
{
this.data = data;
} public static EnumSingleton getInstance()
{
return INSTANCE;
} public static final EnumSingleton INSTANCE;
private Object data;
private static final EnumSingleton $VALUES[]; static
{
INSTANCE = new EnumSingleton("INSTANCE", 0);
$VALUES = (new EnumSingleton[] {
INSTANCE
});
}
}
通过代码发现,静态代码块实例化了单例类,属于饿汉式单列,不存在线程安全性问题,这个实例化过程发生在JVM层面,所以可以认为懒加载
2、测试序列化
public class EnumSingletonTest {
public static void main(String[] args) { FileOutputStream fso = null;
EnumSingleton s1 = null;
EnumSingleton s2 = EnumSingleton.getInstance();
s2.setData(new Object()); try {
fso = new FileOutputStream("EnumSingleton.obj");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fso);
oos.writeObject(s2);
oos.flush();
oos.close(); FileInputStream fis = new FileInputStream("EnumSingleton.obj");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
s1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
ois.close(); System.out.println(s1.getData());
System.out.println(s2.getData());
System.out.println(s1.getData() == s2.getData()); } catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果 :
枚举类是怎样避免不被序列化破坏的呢?我们来查看源码
首先进入枚举类型case
进入readEnum方法
通过枚举类对象根据注册的类名获取实例然后返回,所以不会创建新的对象
3、测试反射
// 反射
try {
Class<EnumSingleton> clazz = EnumSingleton.class;
Constructor<EnumSingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
constructor.newInstance(); }catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
运行结果 :
报错:没有找到这样的构造方法
反编译获取的类有这样的一个构造方法
private EnumSingleton(String s, int i)
{
super(s, i);
}
我们用这个构造再实例化一次看看
测试:
// 反射
try {
Class<EnumSingleton> clazz = EnumSingleton.class;
Constructor<EnumSingleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
constructor.setAccessible(true);
EnumSingleton instance = constructor.newInstance("zhou", 666);
System.out.println(instance); }catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
运行结果:
报错:不能通过反射创建这个枚举对象
查看源码:
得知如果该类的类型为枚举类,就抛出异常
总结:从JDK层面就为枚举类不被实例化和反射保驾护航
二、第二种写法
容器式单例,Spring容器中单例的写法
public class ContainerSingleton { private ContainerSingleton() {} private static Map<String, Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String, Object>(); public static Object getBean(String className){ synchronized (ioc){ if (!ioc.containsKey(className)){
Object obj = null;
try {
obj = Class.forName(className).newInstance();
ioc.put(className,obj);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
return obj;
}
return ioc.get(className);
} }
}
优点:对象方便管理,其实也是属于懒加载
ThreadLocal
使用ThreadLocal实现单例模式
//伪线程安全
public class ThreadLocalSingleton { private ThreadLocalSingleton(){} private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocalSingleton = new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>(){
@Override
protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
return new ThreadLocalSingleton();
}
}; public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
return threadLocalSingleton.get();
}
}
测试多线程
public class ExectorTread implements Runnable { @Override
public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ThreadLocalSingleton.getInstance());
}
}
public class ThreadLocalSingletonTest { public static void main(String[] args) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" +ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" +ThreadLocalSingleton.getInstance()); Thread t1 = new Thread(new ExectorTread());
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new ExectorTread());
t2.start();
}
}
打印结果
结论:该单例在单个线程中可以保持单例,但是每个其他线程互相都不一样
原理:每次获取实例会从ThreadLocalMap中取值,而每个单例的key就是线程名
属于注册式单例(容器形式)
应用场景:Spring的orm框架中
以上对单例模式的介绍到此结束,欢迎批评指正。 附:源码地址
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