设计模式[1] -- 单例模式

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核心作用：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。

优点：

• 由于单例模式只生成一个实例，减少了系统性能开销，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，优化环共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

常见的五种单例模式实现方式：

主要：

• 饿汉式（线程安全，调用效率高，但是不能延时加载。）
• 懒汉式（线程安全，调用效率不高，但是可以延时加载。）

其他：

• 双重检测锁式（由于JVM底层内部模型原因，偶尔会出问题，不建议使用。）
• 静态内部类（线程安全，调用效率高，而且可以延时加载。）
• 枚举单例（线程安全，调用效率高，但是不能延时加载。）

如何选用：

      单例对象占用资源少，不需要延时加载：枚举式好于饿汉式。

      单例对象占用资源大，需要延时加载：静态内部类好于懒汉式。

饿汉式实现（单例对象立即加载）：代码中static变量会在类加载时初始化，此时也不会涉及多个线程对象访问该对象的问题。虚拟机保证只会装载一次该类，肯定不会发生并发访问问题。因此，可以省略synchronized关键字。如果只加载本类，而不是要调用getInstance()，甚至永远没有调用，则会造成资源浪费。

/**
 * 测试饿汉式单例模式
 * @author wangfei
 *
 */
public class SingletonDemo1 {
	
	//类初始化时，立即加载这个对象（没有延时加载的优势）。加载类时，天然的是线程安全的！
	private static SingletonDemo1 instance = new SingletonDemo1();  
	
	private SingletonDemo1(){
	}
	
	//方法没有同步，调用效率高！
	public static SingletonDemo1  getInstance(){
		return instance;
	}

}

懒汉式实现（单例对象延时加载）：真正用到时候才加载，资源利用率高，但是每次调用getInstance()方法都要同步，并发效率较低。

/**
 * 测试懒汉式单例模式
 * @author wangfei
 *
 */
public class SingletonDemo2 {
	
	//类初始化时，不初始化这个对象（延时加载，真正用的时候再创建）。
	private static SingletonDemo2 instance;  
	
	private SingletonDemo2(){ //私有化构造器
	}
	
	//方法同步，调用效率低！
	public static  synchronized SingletonDemo2  getInstance(){
		if(instance==null){
			instance = new SingletonDemo2();
		}
		return instance;
	}
	
}

双重检测锁实现：该模式将同步内容下放到if内部，提高了执行的效率，不必每次获取对象时都要进行同步，只有第一次才同步，创建了以后就没必要了。

/**
 * 双重检查锁实现单例模式
 * @author wangfei
 *
 */
public class SingletonDemo3 { 

  private static SingletonDemo3 instance = null; 

  public static SingletonDemo3 getInstance() { 
    if (instance == null) { 
      SingletonDemo3 sc; 
      synchronized (SingletonDemo3.class) { 
        sc = instance; 
        if (sc == null) { 
          synchronized (SingletonDemo3.class) { 
            if(sc == null) { 
              sc = new SingletonDemo3(); 
            } 
          } 
          instance = sc; 
        } 
      } 
    } 
    return instance; 
  } 

  private SingletonDemo3() { 

  } 
    
}

静态内部类实现方式（也是一种懒加载方式）：外部类没有static属性，则不会像饿汉式那样立即加载对象。只有真正调用getInstance()，才会加载静态内部类。加载类时是线程安全的，instance是static fianl类型，保证了内存中只有这样一个实例存在，而且只能被赋值一次，从而保证了线程安全。兼备了并发高效和延时加载的优势。

/**
 * 测试静态内部类实现单例模式
 * 这种方式：线程安全，调用效率高，并且实现了延时加载！
 * @author wangfei
 *
 */
public class SingletonDemo4 {
	
	private static class SingletonClassInstance {
		private static final SingletonDemo4 instance = new SingletonDemo4();
	}
	
	private SingletonDemo4(){
	}
	
	//方法没有同步，调用效率高！
	public static SingletonDemo4  getInstance(){
		return SingletonClassInstance.instance;
	}
	
}

枚举式实现：实现简单，枚举本身就是单例模式，有JVM从根本上提供保障，避免通过反射和反序列化的漏洞，无延时加载。

/**
 * 测试枚举式实现单例模式(没有延时加载)
 * @author wangfei
 *
 */
public enum SingletonDemo5 {
	
	//这个枚举元素，本身就是单例对象！
	INSTANCE;
	
	//添加自己需要的操作！
	public void singletonOperation(){
	}
	
	
}

问题：

反射可以破解上面几种（不包括枚举式）实现方式。（可以在构造方法中手动抛出异常控制）

反序列化可以破解上面几种（不包括枚举式）实现方式。

• 可以通过定义readResolve()防止获得不同对象：反序列化时，如果对象所在类定义了readResolve()（实际是一种回调），定义返回哪个对象。

/**
 * 测试懒汉式单例模式(如何防止反射和反序列化漏洞)
 * @author wangfei
 *
 */
public class SingletonDemo6 implements Serializable {
	//类初始化时，不初始化这个对象（延时加载，真正用的时候再创建）。
	private static SingletonDemo6 instance;  
	
	private SingletonDemo6(){ //私有化构造器
		if(instance!=null){
			throw new RuntimeException();
		}
	}
	
	//方法同步，调用效率低！
	public static  synchronized SingletonDemo6  getInstance(){
		if(instance==null){
			instance = new SingletonDemo6();
		}
		return instance;
	}
	
	//反序列化时，如果定义了readResolve()则直接返回此方法指定的对象。而不需要单独再创建新对象！
	private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
		return instance;
	}
	
}

/**
 * 测试反射和反序列化破解单例模式
 * @author wangfei
 *
 */
public class Client {
	
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		SingletonDemo6 s1 = SingletonDemo6.getInstance();
		SingletonDemo6 s2 = SingletonDemo6.getInstance();
		
		System.out.println(s1);
		System.out.println(s2);
		
		//通过反射的方式直接调用私有构造器
//		Class<SingletonDemo6> clazz = (Class<SingletonDemo6>) Class.forName("com.bjsxt.singleton.SingletonDemo6");
//		Constructor<SingletonDemo6> c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
//		c.setAccessible(true);
//		SingletonDemo6  s3 = c.newInstance();
//		SingletonDemo6  s4 = c.newInstance();
//		System.out.println(s3);
//		System.out.println(s4);
		
		//通过反序列化的方式构造多个对象 
		FileOutputStream fos = new FileOutputStream("d:/a.txt");
		ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
		oos.writeObject(s1);
		oos.close();
		fos.close();
		
		ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("d:/a.txt"));
		SingletonDemo6 s3 =  (SingletonDemo6) ois.readObject();
		System.out.println(s3);
		
		
	}
}

常见五种单例模式在多线程环境下的效率测试：

CountBownLatch()：同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作前，它允许一个或多个线程一直等待。

• countDown()，当前线程调此方法，则计数减一（建议放在finally种子执行）。
• await()，调用此方法会一直阻塞当前线程，知道计时器的值为0。

/**
 * 测试多线程环境下五种创建单例模式的效率
 * @author wangfei
 *
 */
public class Client3 {
	
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		
		long start = System.currentTimeMillis();
		int threadNum = 10;
		final CountDownLatch  countDownLatch = new CountDownLatch(threadNum);
		
		for(int i=0;i<threadNum;i++){
			new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					
					for(int i=0;i<1000000;i++){
//						Object o = SingletonDemo4.getInstance();
						Object o = SingletonDemo5.INSTANCE;
					}
					
					countDownLatch.countDown();
				}
			}).start();
		}
		
		countDownLatch.await();	//main线程阻塞，直到计数器变为0，才会继续往下执行！
		
		long end = System.currentTimeMillis();
		System.out.println("总耗时："+(end-start));
	}
}