單例模式學習筆記

来源:https://www.cnblogs.com/gdwkong/archive/2018/02/04/8412622.html
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本文簡單介紹單例模式，並舉出餓漢式、懶漢式、雙重檢測鎖、靜態內部類（常用）、枚舉等方式實現單例方式，補充防止反射、反序列化破解單例的方法。 ...


1 單例模式(Singleton Pattern)介紹

　1.1 單例模式介紹

　　定義：確保某一類只有一個實例，而且自行實例化並向整個系統提供這個實例。

　　實現：通過使用private的構造函數確保了在一個應用中只產生一個實例，並且是自行實例化。

　　示例代碼：

　　　　例1-1

  •  1 public class Singleton01 {
 2     //2、創建一個對象，在類載入的時候初始
 3     private static final Singleton01 singleton01 = new Singleton01();
 4     //1、私有化構造方法，現在以new的方式創建多個對象
 5     private Singleton01(){
 6 
 7     }
 8     //3、對外提供一個靜態方法，以獲取實例對象
 9     public static Singleton01 getSingleton(){
10         return singleton01;
11     }
12     //類中的其他方法
13     public void doSomething(){
14     }
15 }

　　1.2 單例模式的應用

　　1.2.1 優點

  • 單例模式在記憶體中只有一個實例，減少了記憶體開支，特別是一個對象需要頻繁創建、銷毀時，而且創建或銷毀時性能無法優化，單例模式的優勢就非常明顯。
  • 單例模式可以避免對資源的多重占用，例如一個寫文件動作，由於只有一個實例存在記憶體中，避免對同一個資源文件的同時寫操作。
  • 單例模式可以在系統設置全局的訪問點，優化和共用資源訪問，例如可以設計一個單例類，負責所有數據表的映射處理。

　　1.2.2 缺點

  • 單例模式一般沒有介面，擴展困難。
  • 對測試不利，如果單例模式沒有完成，是不能進行測試的。

　　1.2.3 使用場景

  • 要求生成唯一序列號的環境。
  • 在整個項目中需要一個共用訪問點或共用數據，例如一個web頁面上的計數器，可以不用把每次刷新都記錄到資料庫中，使用單例模式保存計數器的值，並確保是線程安全的。
  • 創建一個對象需要消耗的資源過多，如要訪問IO和資料庫等資源。
  • 需要定義大量的靜態常量和靜態方法（如工具類）的環境，可以採用單例模式（當然，也可以直接聲明為static的方式）。
  • windows的任務管理器，工廠模式中的工廠....

2 單例模式的實現方式

　　2.1 餓漢式（線程安全，調用效率高[因為不用加鎖]，但是不能延時載入），如例1-1 。

　　2.2 懶漢式 

　　當使用懶載入時（如例2-2-1），在高併發環境下，存線上程安全問題（圖2-2-1），可能出現同時創建多個對象，需要對線程進行加鎖（例2-2-2），此稱為懶漢式，資源利用效率高，實現了懶載入，但是併發調用效率低，由於每次都要載入所有浪費系統資源。

　　例2-2-1：

  •  1 public class Singleton02 {
 2     //2、聲明一個私有的靜態變數
 3     private static Singleton02 singleton02 ;
 4     //1、私有化構造方法，現在以new的方式創建多個對象
 5     private Singleton02(){
 6     }
 7     //3、對外提供一個靜態方法，以獲取實例對象
 8     public static  Singleton02 getSingleton(){
 9         //判斷singleton02是否為空，為空賦值
10         if (singleton02 == null){
11             singleton02 = new Singleton02();
12         }
13         return singleton02;
14     }
15 }

　　圖2-2-1 

　　

　　例2-2-2：

  •  1 public class Singleton02 {
 2     //2、聲明一個私有的靜態變數
 3     private static Singleton02 singleton02 ;
 4     //1、私有化構造方法，現在以new的方式創建多個對象
 5     private Singleton02(){
 6     }
 7     //3、對外提供一個靜態方法，以獲取實例對象
 8     public static synchronized Singleton02 getSingleton(){
 9         //判斷singleton02是否為空，為空賦值
10         if (singleton02 == null){
11             singleton02 = new Singleton02();
12         }
13         return singleton02;
14     }
15 }

　　2.3 雙重檢測鎖(由於編譯器優化原因，和jvm底層模型問題，偶爾會出現問題，不建議使用)

　　例2-3-1

  •  1 public class Singleton03 {
 2     //2、聲明一個私有的靜態成員變數
 3     private static Singleton03 singleton03;
 4     //1、私有化構造方法，現在以new的方式創建多個對象
 5     private Singleton03(){
 6     }
 7     //3、對外提供一個靜態方法，以獲取實例對象
 8     public static Singleton03 getSingleton(){
 9         //判斷singleton03是否需要加鎖
10         if (singleton03 == null){
11             synchronized (Singleton03.class){
12                 if (singleton03 == null){
13                     singleton03 = new Singleton03();
14                 }
15             }
16         }
17         return singleton03;
18     }

　　圖2-3-1

　　　

　　2.4 靜態內部類（常用）

　　　　外部類沒有static，所以靜態內部類不會再外部類載入的時候被初始化，所以實現了懶載入

　　　　線程安全，因為實例對象是在靜態內部類載入的時候創建，所以天然是單例的。

　　例2-4-1 

  •  1 public class Singleton04 {
 2 
 3     //1、私有化構造方法，現在以new的方式創建多個對象
 4     private Singleton04(){
 5     }
 6     //2、創建一個靜態內部類
 7     private static class SingletonInstance{
 8         //靜態內部類載入的時候生成單例對象
 9         public static Singleton04 singleton04 = new Singleton04();
10     }
11     //3、對外提供一個靜態方法，以獲取實例對象
12     public static Singleton04 getSingleton(){
13         //當調用該方法是，靜態內部類才會被載入，對象才會new出來
14         return SingletonInstance.singleton04;
15     }
16 }

　　2.5 枚舉（線程安全，天然就單例的，能避免反射和反序列化帶來的問題，但是不能懶載入）

　　例2-5-1

  • 1 public enum Singleton05 {
2     SINGLETON_05;
3     public void doSomething(){
4     }
5 }
     1 public class Client {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         Singleton05 singleton05_01 = Singleton05.SINGLETON_05;
 4         Singleton05 singleton05_02 = Singleton05.SINGLETON_05;
 5         Singleton05 singleton05_03 = Singleton05.SINGLETON_05;
 6         System.out.println(singleton05_01);//SINGLETON_05
 7         System.out.println(singleton05_02);//SINGLETON_05
 8         System.out.println(singleton05_03);//SINGLETON_05
 9         singleton05_01.doSomething();
10     }
11 }

3 防止反射破解單例

　　3.1反射破解單例示例：

　　例3-1-1

 1 //破解類
 2 public class Client {
 3     public static void main(String[] args) throws Exception {
 4 
 5         Singleton01 singleton1 = Singleton01.getSingleton();
 6         Singleton01 singleton2 = Singleton01.getSingleton();
 7         System.out.println(singleton1 == singleton2); //true
 8 
 9         //暴力反射破解單例
10         Class<Singleton01> clazz = (Class<Singleton01>) Class.forName("com.pri.singleton_a.Singleton01");
11         Constructor<Singleton01> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
12         constructor.setAccessible(true);
13         Singleton01 singleton3 = constructor.newInstance(null);
14 
15         System.out.println(singleton1 == singleton3); //false
16     }
17 }
18 
19 //單例類
20 public class Singleton01 {
21     //2、創建一個對象，在類載入的時候初始
22     private static final Singleton01 singleton01 = new Singleton01();
23     //1、私有化構造方法，現在以new的方式創建多個對象
24     private Singleton01(){
25 
26     }
27     //3、對外提供一個靜態方法，以獲取實例對象
28     public static Singleton01 getSingleton(){
29         return singleton01;
30     }
31     //類中的其他方法
32     public void doSomething(){
33     }
34 }

　　3.2 防止反射破解單例

　　在單例空參構造中添加判斷，如

　　例3-2-1：

  •  1 public class Singleton01 {
 2     //2、創建一個對象，在類載入的時候初始
 3     private static final Singleton01 singleton01 = new Singleton01();
 4     //1、私有化構造方法，現在以new的方式創建多個對象
 5     private Singleton01(){
 6         if (singleton01 != null){
 7             throw new RuntimeException("已有實例，不能再調用此方法實例化");
 8         }
 9     }
10     //3、對外提供一個靜態方法，以獲取實例對象
11     public static Singleton01 getSingleton(){
12         return singleton01;
13     }
14     //類中的其他方法
15     public void doSomething(){
16     }
17 }
18 
19 //運行結果 ：Caused by: java.lang.RuntimeException: 已有實例，不能再調用此方法實例化

4 防止反序列化破解單例

　　4.1 反序列化破解單例

　　例4-1-1

  •  1 //破解類
 2 public class Client {
 3     public static void main(String[] args) throws Exception {
 4 
 5         Singleton01 singleton1 = Singleton01.getSingleton();
 6         Singleton01 singleton2 = Singleton01.getSingleton();
 7         System.out.println(singleton1 == singleton2); //true
 8 
 9         /*//1、將對象序列化到文件
10         FileOutputStream out = new FileOutputStream("singleton.txt");
11         ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(out);
12         oos.writeObject(singleton1);
13 
14         oos.close();
15         out.close();*/
16 
17         //2、從文件中讀取對象（反序列化）
18         FileInputStream input = new FileInputStream(new File("singleton.txt"));
19 
20         ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(input);
21         Singleton01 singleton3 = (Singleton01) ois.readObject();
22 
23         System.out.println(singleton1 == singleton3); //false      
24     }
25 }
26 
27 //單例類
28 public class Singleton01 implements Serializable {
29     //2、創建一個對象，在類載入的時候初始
30     private static final Singleton01 singleton01 = new Singleton01();
31     //1、私有化構造方法，現在以new的方式創建多個對象
32     private Singleton01(){
33         if (singleton01 != null){
34             throw new RuntimeException("已有實例，不能再調用此方法實例化");
35         }
36     }
37     //3、對外提供一個靜態方法，以獲取實例對象
38     public static Singleton01 getSingleton(){
39         return singleton01;
40     }
41     //類中的其他方法
42     public void doSomething(){
43     }
44 }

    4.2 防止反序列化破解單例

　　在單例類中添加一個readResolve（）方法，如例4-2-1.

　　例4-2-1

  •  1 public class Singleton01 implements Serializable {
 2     //2、創建一個對象，在類載入的時候初始
 3     private static final Singleton01 singleton01 = new Singleton01();
 4     //1、私有化構造方法，現在以new的方式創建多個對象
 5     private Singleton01(){
 6         if (singleton01 != null){
 7             throw new RuntimeException("已有實例，不能再調用此方法實例化");
 8         }
 9     }
10     //3、對外提供一個靜態方法，以獲取實例對象
11     public static Singleton01 getSingleton(){
12         return singleton01;
13     }
14     //類中的其他方法
15     public void doSomething(){
16     }
17 
18     //反序列化時，直接return singleton01,不生成對象
19     private Object readResolve() throws ObjectStreamException{
20         return singleton01;
21     }
22 }

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