GOF23设计模式之单例模式（singleton）
一、单例模式概述
保证一个类只有一个实例，并且提供一个访问该实例的全局访问点。
由于单例模式只生成一个实例，减少了系统性能开销。所以当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决。
单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化共享资源访问，例如可以设计一个单例类，复制所有数据表的映射处理。
1. 懒汉式
1)线程不安全
① 构造器私有化，避免外部直接创建对象
② 声明一个私有的静态属性
③ 对外创建一个公共的静态方法访问该属性
如果属性没有该对象，创建该对象
2)线程安全
使用同步方法
3)双重检测（线程安全）double checking DCL
使用同步块
好处：第一次是为了不必要的同步，第二次是在属性等于null的情况下才创建实例
2. 饿汉式
① 构造器私有化，避免外部直接创建对象
② 声明一个私有的静态属性，同时创建该对象
③ 对外创建一个公共的静态方法访问该属性
好处：类加载时就已经加载该类对象，当需要该对象时，若没有则创建，若有直接返回
3. 静态内部类
① 构造器私有化，避免外部直接创建对象
② 使用静态内部类声明一个私有的静态属性，同时创建该对象
③ 对外创建一个公共的静态方法访问该属性
好处：不调用静态方法不加载内部类，延缓加载，提高效率
4.枚举
枚举式 （jdk1.4及以前建议使用）
二、单例模式的五种写法
1.饿汉式
优点：线程安全，效率高
缺点：无法延时加载
public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
//私有化构造器
private Singleton() {}
//提供全局访问点
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
static {
instance = new Singleton();
}
//私有化构造器
private Singleton() {}
//提供全局访问点
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
2. 懒汉式
优点：线程安全，延时加载
缺点：效率较低
（1）非线程安全
public class Singleton {
private static Singleton instance;
//私有化构造器
private Singleton() {}
//提供一个全局的访问点
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
（2）线程安全
public class Singleton {
private static Singleton instance;
//私有化构造器
private Singleton() {}
//使用同步方法获取该类对象
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
public class Singleton {
private static Singleton instance;
//私有化构造器
private Singleton() {}
//使用同步块获取该类对象
public static Singleton getInstance() {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
}
3.双重检查锁
注意：由于编译器优化和JVM底层内部模型原因，偶尔会出问题，不建议使用
优点：线程安全，延时加载
缺点：效率较低，会出错误
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
//第一次判断是为了避免不必要的同步，第二次判断是属性为null时创建实例
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
4.静态内部类式
不调用静态方法不加载内部类，延缓加载（懒加载），提高效率
优点：线程安全，延时加载，效率高
public class Singleton {
//静态内部类
private static class SingletonHolder {
//final可加可不加，因为外部类的外部无法使用该内部类
private static /*final*/ Singleton instance = new Singleton();
}
//私有化构造器
private Singleton() {}
//提供一个全局的访问点
public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
}
}
5.枚举
注意：建议使用
优点：实现简单，线程安全，效率高，由于JVM从根本上实现保障，避免反射和反序列化的漏洞
缺点：无延时加载
1 public enum Singleton {
2 //这个枚举元素，本身就是一个单例对象
3 INSTANCE;
4 }
三、测试五种单例模式的耗时问题
/**
在多线程环境下测试使用单例设计模式时创建对象的耗时（100个线程创建10000个对象）
饿汉式：15ms
懒汉式：671ms
双重检测锁：65ms
静态内部类：23ms
枚举：32ms
* @author CL
*
*/
public class TestRuntime { public static void main(String[] args) throws Exception {
long start = System.currentTimeMillis(); int threadNum = 100;
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadNum);
//匿名内部类
for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
new Thread(new Runnable() { @Override
public void run() {
for(int i = 0; i < 10000; i++) {
//依次测试
Object o1 = SingletonDemo01.getInstance(); //饿汉式
// Object o2 = SingletonDemo02.getInstance(); //懒汉式
// Object o3 = SingletonDemo03.getInstance(); //双重检查锁
// Object o4 = SingletonDemo04.getInstance(); //静态内部类
// Object o5 = SingletonDemo05.INSTANCE; //枚举
}
}
}).start();
countDownLatch.countDown(); //递减锁存器的计数，如果计数到达零，则释放所有等待的线程
} countDownLatch.await(); //阻塞main线程，知道计数器为0才开始继续执行 long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("总耗时："+(end - start)+"ms");
} }
注意，根据电脑配置等因素时间会有差异，但时间比大致相同。
如何选用单例模式？
（1）单例对象占用资源少，不需要延时加载时：枚举式好于饿汉式
（2）单例对象占用资源大，需要延时加载时：静态内部类式好于懒汉式
四、破解单例模式
1.使用反序列化破解单例模式
步骤：（1）使用序列化将已经创建的对象写出到系统文件
（2）使用反序列化读取文件中的对象
import java.io.Serializable; /**
* 使用反序列化破解单例模式
* @author CL
*
*/
public class Singleton implements Serializable { private static class SingletonHolder {
private static Singleton instance = new Singleton();
} private Singleton() {} public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
} }
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream; /**
* 测试反序列化破解单例模式
* @author CL
*
*/
public class TestSingleton { public static void main(String[] args) throws Exception {
//先获得一个对象
Singleton s01 = Singleton.getInstance();
System.out.println("先获取的对象：" + s01); //（1）使用序列化将对象写出到系统文件
String filePath = "C:\\file\\obj.txt";
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
new FileOutputStream(filePath));
oos.writeObject(s01);
oos.flush();
oos.close(); //（2）使用反序列化读取文件中的对象
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
new FileInputStream(filePath));
Singleton s02 = (Singleton) ois.readObject();
ois.close(); System.out.println("反序列化读取的对象：" + s02);
} }
控制台输出：
先获取的对象：com.caolei.singleton.Singleton@15db9742
反序列化读取的对象：com.caolei.singleton.Singleton@33909752
显然已经通过反序列化已经创建了新的对象，解决办法是在类中添加如下代码：
/**
* 反序列化时，如果创建了readResolve()方法则直接返回已经创建好的对象，而不需要再重新创建新的对象
* @return
* @throws ObjectStreamException
*/
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return instance;
}
现在再测试：
import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable; /**
* 使用反序列化破解单例模式
* @author CL
*
*/
public class Singleton implements Serializable { private static class SingletonHolder {
private static Singleton instance = new Singleton();
} private Singleton() {} public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
} //反序列化时，如果创建了readResolve()方法则直接返回已经创建好的对象，而不需要再重新创建新的对象
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return SingletonHolder.instance;
} }
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream; /**
* 测试反序列化破解单例模式
* @author CL
*
*/
public class TestSingleton { public static void main(String[] args) throws Exception {
//先获得一个对象
Singleton s01 = Singleton.getInstance();
System.out.println("先获取的对象：" + s01); //（1）使用序列化将对象写出到系统文件
String filePath = "C:\\file\\obj.txt";
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
new FileOutputStream(filePath));
oos.writeObject(s01);
oos.flush();
oos.close(); //（2）使用反序列化读取文件中的对象
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
new FileInputStream(filePath));
Singleton s02 = (Singleton) ois.readObject();
ois.close(); System.out.println("反序列化读取的对象：" + s02);
} }
控制台输出：
先获取的对象：com.caolei.singleton.Singleton@15db9742
反序列化读取的对象：com.caolei.singleton.Singleton@15db9742
现在创建的对象是同一对象，避免了反序列化破解单例模式出现的问题。
2.使用反射破解单例模式
步骤：（1）获取对象
（2）获取构造器
（3）跳过安全检查
（4）创建对象
/**
* 使用反射破解单例模式
* @author CL
*
*/
public class Singleton { private static class SingletonHolder {
private static Singleton instance = new Singleton();
} private Singleton() {} public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
} }
import java.lang.reflect.Constructor; /**
* 测试反射破解单例模式
* @author CL
*
*/
public class TestSingleton { public static void main(String[] args) throws Exception {
Singleton s1 = Singleton.getInstance();
System.out.println("先获取的对象：" + s1); //使用反射破解单例模式
//（1）创建对象
Class<Singleton> clazz = (Class<Singleton>) Class.forName("com.caolei.singleton.Singleton");
//（2）获得构造器
Constructor<Singleton> c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
//（3）跳过安全检查
c.setAccessible(true);
//（4）创建对象
Singleton s2 = c.newInstance(); System.out.println("反射获取的对象：" + s2);
}
}
控制台输出：
先获取的对象：com.caolei.singleton.Singleton@15db9742
反射获取的对象：com.caolei.singleton.Singleton@6d06d69c
显然使用反射机制跳过安全检查通过私有的构造器创建了新的对象，解决办法是在私有的构造器中添加如下代码：
if (instance != null) {
throw new RuntimeException(); //再次创建对象时抛出异常
}
现在再测试：
/**
* 使用反射破解单例模式
* @author CL
*
*/
public class Singleton { private static class SingletonHolder {
private static Singleton instance = new Singleton();
} private Singleton() {
if (SingletonHolder.instance != null) {
throw new RuntimeException(); //再次创建对象时抛出异常
}
} public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
} }
import java.lang.reflect.Constructor; /**
* 测试反射破解单例模式
* @author CL
*
*/
public class TestSingleton { public static void main(String[] args) throws Exception {
Singleton s1 = Singleton.getInstance();
System.out.println("先获取的对象：" + s1); //使用反射破解单例模式
//（1）创建对象
Class<Singleton> clazz = (Class<Singleton>) Class.forName("com.caolei.singleton.Singleton");
//（2）获得构造器
Constructor<Singleton> c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
//（3）跳过安全检查
c.setAccessible(true);
//（4）创建对象
Singleton s2 = c.newInstance(); System.out.println("反射获取的对象：" + s2);
}
}
控制台输出：
先获取的对象：com.caolei.singleton.Singleton@15db9742
Exception in thread "main" java.lang.reflect.InvocationTargetException
at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method)
at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(NativeConstructorAccessorImpl.java:62)
at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45)
at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:408)
at com.caolei.singleton.TestSingleton.main(TestSingleton.java:24)
Caused by: java.lang.RuntimeException
at com.caolei.singleton.Singleton.<init>(Singleton.java:16)
... 5 more
五、单例模式常见的应用场景
（1）Windows的Task Manager（任务管理器）、Recycle Bin（回收站）、文件系统等都是典型的单例模式；
（2）在项目中，读取配置文件的类一般也只有一个对象，没有必要每次使用配件的数据时，都去new一个对象来获取；
（3）网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步；
（4）数据库连接池的设计就是采用单例模式；
（5）在Spring中，每个Bean默认是单例的，便于Spring容器管理；
（6）每个Servlet都是单例的；
（7）………………
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