设计模式之Singleton模式

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
注意:

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

介绍

• 意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

• 主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

• 何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

• 如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

• 关键代码：构造函数是私有的。

• 应用实例：

  • 1、一个班级只有一个班主任。
  • 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
  • 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

• 优点：

  • 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
  • 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

• 缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

• 使用场景：

  • 1、要求生产唯一序列号。
  • 2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
  • 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。
    注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

实现

SingleObject类有它的构造函数和本身的一个静态实例.
SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。
SingletonPatternDemo，我们的演示类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

package com.edu.tju.Singleton;

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    private Singleton() {                                 
        System.out.println("生成了一个实例。");
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return singleton;
    }
}


package com.edu.tju.Singleton;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Start.");
        Singleton obj1 = Singleton.getInstance();
        Singleton obj2 = Singleton.getInstance();
        if (obj1 == obj2) {
            System.out.println("obj1与obj2是相同的实例。");
        } else {
            System.out.println("obj1与obj2是不同的实例。");
        }
        System.out.println("End.");
    }
}

单例模式的几种实现方法

当然单例模式有很多种, 很容易想到的就是每次实例的时候,判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。
我们称乎上述所说的形式为懒汉式,但是,那样的线程是不安全的.

1. 懒汉式,线程不安全

• 是否 Lazy 初始化：是
• 是否多线程安全：否
• 实现难度：易
• 描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
  这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

注: lazy initialization就是在使用的时候才进行初始化，与之对应的是在类加载的时候就初始化

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

我们可以利用 加锁 synchronized来解决多线程问题

2.懒汉式,线程安全

• 是否 Lazy 初始化：是
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：易
• 描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
  优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
  缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
  getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

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

上文我们使用的是饿汉式的形式
3.饿汉式

• 是否 Lazy 初始化：否
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：易
• 描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
• 优点：没有加锁，执行效率会提高。
• 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
  它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

  实例
  public class Singleton {  
      private static Singleton instance = new Singleton();  
      private Singleton (){}  
      public static Singleton getInstance() {  
      return instance;  
      }  
  }

4.双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

• JDK 版本：JDK1.5 起
• 是否 Lazy 初始化：是
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：较复杂

描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
        if (singleton == null) {  
            singleton = new Singleton();  
        }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

注: volatile传送🚪

5.登记式/静态内部类

• 是否 Lazy 初始化：是
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：一般
• 描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

  这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

实例:
public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
    return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

6.枚举

• JDK 版本：JDK1.5 起
• 是否 Lazy 初始化：否
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：易

  描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
  这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
  不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

通过枚举创建单例模式

public enum  EnumSingleton {
    INSTANCE;
    public EnumSingleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}
public class User {
    //私有化构造函数
    private User(){ }
 
    //定义一个静态枚举类
    static enum SingletonEnum{
        //创建一个枚举对象，该对象天生为单例
        INSTANCE;
        private User user;
        //私有化枚举的构造函数
        private SingletonEnum(){
            user=new User();
        }
        public User getInstnce(){
            return user;
        }
    }
 
    //对外暴露一个获取User对象的静态方法
    public static User getInstance(){
        return SingletonEnum.INSTANCE.getInstnce();
    }
}

public class Test {
    public static void main(String [] args){
        System.out.println(User.getInstance());
        System.out.println(User.getInstance());
        System.out.println(User.getInstance()==User.getInstance());
    }
}

经验之谈：一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。

其他例子

反序列化机制破解单例模式（枚举除外）：

public class BreakSingleton{

  public static void main(String[] args) throws Exception{

     //先根据单例模式创建对象(单例模式所以s1,s2是一样的)
     Singleton s1=Singleton.getInstance();
     Singleton s2=Singleton.getInstance();

//将s1写入本地某个路径
     FileOutputStream fos=new FileOutputStream("本地某个路径下文件");
     ObjectOutputStream oos=new ObjectOutputStream(fos);
     oos.writeObject(s1);
     oos.close();
     fos.close();

//从本地某个路径读取写入的对象
     ObjectInputStream ois=new ObjectInputStream(new FileInputStream("和上面的本地参数路径相同"));
    Singleton s3=(Singleton) ois.readObject();
     System.out.println(s1);
     System.out.println(s2);
     System.out.println(s3);//s3是一个新对象
}
 
}

如何避免实现序列化单例模式的漏洞：

class Singleton implements Serializable{

  private static final Singleton singleton = new Singleton(); 

  private Singleton() {
  }
  public static Singleton getInstance(){
         return singleton;
  }
//反序列化定义该方法，则不需要创建新对象
  private Object readResolve() throws ObjectStreamException{
    return singleton;
  }
}

类的加载和初始化时机

类的加载和初始化时机这篇文章分析的很透彻

单例模式与其他模式的关系(补充)

• 外观模式类通常可以使用单例模式类， 因为在大部分情况下一个外观对象就足够了。
• 抽象工厂模式、 生成器模式和原型模式都可以用单例来实现。

static关键字的基本用法

• static关键字基本概念

  我们可以一句话来概括：方便在没有创建对象的情况下来进行调用。
  也就是说：被static关键字修饰的不需要创建对象去调用，直接根据类名就可以去访问。对于这个概念，下面根据static关键字的四个基本使用来描述。然后在下一部分再来去分析static的原理，希望你能认真读完。

• static关键字修饰类
  java里面static一般用来修饰成员变量或函数。但有一种特殊用法是用static修饰内部类，普通类是不允许声明为静态的，只有内部类才可以。下面看看如何使用。

  public class StaticTest {
  	// static关键字修饰内部类
  	public static class InnerClass {
  		InnerClass() {
  			System.out.println("=======静态内部类======");
  		}
  
  		public void InnerMethod() {
  			System.out.println("========静态内部方法========");
  		}
  	}
  
  	public static void main(String[] args) {
  		// 直接通过StaticTest美名访问静态内部类InnerClass
  		InnerClass inner = new StaticTest.InnerClass();
  		// 静态内部类可以和普通类一样使用
  		inner.InnerMethod();
  	}
  }
  
  /*
   *=======静态内部类======
  *========静态内部方法========
  */

  如果没有用static修饰InterClass，则只能new 一个外部类实例。再通过外部实例创建内部类。

• static关键字修饰方法
  修饰方法的时候，其实跟类一样，可以直接通过类名来进行调用：

  public class StaticMethod {
  	public static void test() {
  		System.out.println("===========静态方法===========");
  	}
  
  	public static void main(String[] args) {
  		//方式一:直接通过类名
  		StaticMethod.test();
  		//方式二:
  		StaticMethod fdd = new StaticMethod();
  		fdd.test();
  	}
  }

• static关键字修饰变量

被static修饰的成员变量叫做静态变量，也叫做类变量，说明这个变量是属于这个类的，而不是属于是对象，没有被static修饰的成员变量叫做实例变量，说明这个变量是属于某个具体的对象的。

我们同样可以使用上面的方式进行调用变量：

public class StaticVar{
    private static String name = "Jason";
    public static void main(String[] args) {
    //直接通过类名
    StaticVar.name;
    }
}

• static关键字修饰代码块

静态代码块在类第一次被载入时执行，在这里主要是想验证一下，类初始化的顺序:

父类静态变量
父类静态代码块
子类静态变量
子类静态代码块
父类普通变量
父类普通代码块
父类构造函数
子类普通变量
子类普通代码块
子类构造函数

代码验证一下:
首先我们定义一个父类

public class Father {
	//父类静态代码块
	static {
		System.out.println("父类static");
	}
	//父类构造函数
	public Father() {
		System.out.println("父类构造函数");
	}
}

然后定义一个子类

public class Son extends Father{
	static {
		System.out.println("子类static");
	}
	//构造方法
	public Son() {
		System.out.println("子类constructor");
	}
	public static void main(String[] args) {
		new Son();
	}
}

父类static
子类static
父类构造函数
子类constructor

深入分析static