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关于java:深入理解单例设计模式

jiezi

这是我参加更文挑战的第 2 天，流动详情查看：更文挑战

一、概述

单例模式是面试中常常会被问到的一个问题，网上有大量的文章介绍单例模式的实现，本文也是参考那些优良的文章来做一个总结，通过本人在学习过程中的了解进行记录，并补充欠缺一些内容，一方面坚固本人所学的内容，另一方面心愿能对其他同学提供一些帮忙。

本文次要从以下几个方面介绍单例模式：

  1. 单例模式是什么
  2. 单例模式的应用场景
  3. 单例模式的优缺点
  4. 单例模式的实现（重点）
  5. 总结

二、单例模式是什么

23 种设计模式能够分为三大类：创立型模式、行为型模式、结构型模式。单例模式属于创立型模式的一种，单例模式是最简略的设计模式之一：单例模式只波及一个类，确保在零碎中一个类只有一个实例，并提供一个全局拜访入口。许多时候整个零碎只须要领有一个全局对象，这样有利于咱们协调系统整体的行为。

三、单例模式的应用场景

1、日志类

日志类通常作为单例实现，并在所有应用程序组件中提供全局日志拜访点，而无需在每次执行日志操作时创建对象。

2、配置类

将配置类设计为单例实现，比方在某个服务器程序中，该服务器的配置信息寄存在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象对立读取，而后服务过程中的其余对象再通过这个单例对象获取这些配置信息，这种形式简化了在简单环境下的配置管理。

3、工厂类

假如咱们设计了一个带有工厂的应用程序，以在多线程环境中生成带有 ID 的新对象（Acount、Customer、Site、Address 对象）。如果工厂在 2 个不同的线程中被实例化两次，那么 2 个不同的对象可能有 2 个重叠的 id。如果咱们将工厂实现为单例，咱们就能够防止这个问题，联合形象工厂或工厂办法和单例设计模式是一种常见的做法。

4、以共享模式拜访资源的类

比方网站的计数器，个别也是采纳单例模式实现，如果你存在多个计数器，每一个用户的拜访都刷新计数器的值，这样的话你的实计数的值是难以同步的。然而如果采纳单例模式实现就不会存在这样的问题，而且还能够防止线程平安问题。

5、在 Spring 中创立的 Bean 实例默认都是单例模式存在的。

实用场景：

  • 须要生成惟一序列的环境
  • 须要频繁实例化而后销毁的对象。
  • 创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又常常用到的对象。
  • 不便资源互相通信的环境

四、单例模式的优缺点

长处：

  • 在内存中只有一个对象，节俭内存空间；
  • 防止频繁的创立销毁对象，加重 GC 工作，同时能够进步性能；
  • 防止对共享资源的多重占用，简化拜访；
  • 为整个零碎提供一个全局拜访点。

毛病：

  • 不适用于变动频繁的对象；
  • 滥用单例将带来一些负面问题，如为了节俭资源将数据库连接池对象设计为的单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而呈现连接池溢出；
  • 如果实例化的对象长时间不被利用，零碎会认为该对象是垃圾而被回收，这可能会导致对象状态的失落；

五、单例模式的实现（重点）

实现单例模式的步骤如下：

  1. 私有化构造方法，防止外部类通过 new 创建对象
  2. 定义一个公有的动态变量持有本人的类型
  3. 对外提供一个动态的公共办法来获取实例
  4. 如果实现了序列化接口须要保障反序列化不会从新创建对象

1、饿汉式，线程平安

饿汉式单例模式，顾名思义，类一加载就创建对象，这种形式比拟罕用，但容易产生垃圾对象，节约内存空间。

长处：线程平安，没有加锁，执行效率较高
毛病：不是懒加载，类加载时就初始化，节约内存空间

懒加载（lazy loading）：应用的时候再创建对象

饿汉式单例是如何保障线程平安的呢？它是基于类加载机制防止了多线程的同步问题，然而如果类被不同的类加载器加载就会创立不同的实例。

代码实现，以及应用反射毁坏单例：

/**
 * 饿汉式单例测试
 *
 * @className: Singleton
 * @date: 2021/6/7 14:32
 */
public class Singleton  {
    // 1、私有化构造方法
    private Singleton(){}
    // 2、定义一个动态变量指向本人类型
    private final static Singleton instance = new Singleton();
    // 3、对外提供一个公共的办法获取实例
    public static Singleton getInstance() {return instance;}

}

应用反射毁坏单例，代码如下：


public class Test {public static void main(String[] args) throws Exception{
        // 应用反射毁坏单例
        // 获取空参构造方法
        Constructor<Singleton> declaredConstructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor(null);
        // 设置强制拜访
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        // 创立实例
        Singleton singleton = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println("反射创立的实例" + singleton);
        System.out.println("失常创立的实例" + Singleton.getInstance());
        System.out.println("失常创立的实例" + Singleton.getInstance());
    }
}

输入后果如下：

反射创立的实例 com.example.spring.demo.single.Singleton@6267c3bb
失常创立的实例 com.example.spring.demo.single.Singleton@533ddba
失常创立的实例 com.example.spring.demo.single.Singleton@533ddba

2、懒汉式，线程不平安

这种形式在单线程下应用没有问题，对于多线程是无奈保障单例的，这里列出来是为了和前面应用锁保障线程平安的单例做比照。

长处：懒加载

毛病：线程不平安

代码实现如下：


/**
 * 懒汉式单例，线程不平安
 *
 * @className: Singleton
 * @date: 2021/6/7 14:32
 */
public class Singleton  {
    // 1、私有化构造方法
    private Singleton(){}
    // 2、定义一个动态变量指向本人类型
    private static Singleton instance;
    // 3、对外提供一个公共的办法获取实例
    public static Singleton getInstance() {
        // 判断为 null 的时候再创建对象
        if (instance == null) {instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

应用多线程毁坏单例，测试代码如下：

public class Test {public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(() -> {System.out.println("多线程创立的单例：" + Singleton.getInstance());
            }).start();}
    }
}

输入后果如下：

多线程创立的单例：com.example.spring.demo.single.Singleton@18396bd5
多线程创立的单例：com.example.spring.demo.single.Singleton@7f23db98
多线程创立的单例：com.example.spring.demo.single.Singleton@5000d44

3、懒汉式，线程平安

懒汉式单例如何保障线程平安呢？通过 synchronized 关键字加锁保障线程平安，synchronized 能够增加在办法下面，也能够增加在代码块下面，这里演示增加在办法下面，存在的问题是 每一次调用 getInstance 获取实例时都须要加锁和开释锁，这样是十分影响性能的。

长处：懒加载，线程平安

毛病：效率较低

代码实现如下：

/**
 * 懒汉式单例，办法下面增加 synchronized 保障线程平安
 *
 * @className: Singleton
 * @date: 2021/6/7 14:32
 */
public class Singleton  {
    // 1、私有化构造方法
    private Singleton(){}
    // 2、定义一个动态变量指向本人类型
    private static Singleton instance;
    // 3、对外提供一个公共的办法获取实例
    public synchronized static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

4、双重查看锁（DCL，即 double-checked locking）

实现代码如下：


/**
 * 双重查看锁（DCL，即 double-checked locking）*
 * @className: Singleton
 * @date: 2021/6/7 14:32
 */
public class Singleton {
    // 1、私有化构造方法
    private Singleton() {}

    // 2、定义一个动态变量指向本人类型
    private volatile static Singleton instance;

    // 3、对外提供一个公共的办法获取实例
    public synchronized static Singleton getInstance() {
        // 第一重查看是否为 null
        if (instance == null) {
            // 应用 synchronized 加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                // 第二重查看是否为 null
                if (instance == null) {
                    // new 关键字创建对象不是原子操作
                    instance = new Singleton();}
            }
        }
        return instance;
    }
}

长处：懒加载，线程平安，效率较高

毛病：实现较简单

这里的双重查看是指两次非空判断，锁指的是 synchronized 加锁，为什么要进行双重判断，其实很简略，第一重判断，如果实例曾经存在，那么就不再须要进行同步操作，而是间接返回这个实例，如果没有创立，才会进入同步块，同步块的目标与之前雷同，目标是为了避免有多个线程同时调用时，导致生成多个实例，有了同步块，每次只能有一个线程调用拜访同步块内容，当第一个抢到锁的调用获取了实例之后，这个实例就会被创立，之后的所有调用都不会进入同步块，间接在第一重判断就返回了单例。

对于外部的第二重空判断的作用，当多个线程一起达到锁地位时，进行锁竞争，其中一个线程获取锁，如果是第一次进入则为 null，会进行单例对象的创立，实现后开释锁，其余线程获取锁后就会被空判断拦挡，间接返回已创立的单例对象。

其中最要害的一个点就是 volatile 关键字的应用，对于 volatile 的具体介绍能够间接搜寻 volatile 关键字即可，有很多写的十分好的文章，这里不做具体介绍，简略阐明一下，双重查看锁中应用 volatile 的两个重要个性：可见性、禁止指令重排序

这里为什么要应用 volatile？

这是因为 new 关键字创建对象不是原子操作，创立一个对象会经验上面的步骤：

  1. 在堆内存开拓内存空间
  2. 调用构造方法，初始化对象
  3. 援用变量指向堆内存空间

对应字节码指令如下：

为了进步性能，编译器和处理器经常会对既定的代码执行程序进行指令重排序，从源码到最终执行指令会经验如下流程：

graph LR
A[源码] -->B([编译器优化重排序])-->C([指令级并行重排序])-->D([内存零碎重排序])-->E[最终执行指令序列]

所以通过指令重排序之后，创建对象的执行程序可能为 1 2 3 或者 1 3 2 ，因而当某个线程在乱序运行 1 3 2 指令的时候，援用变量指向堆内存空间，这个对象不为 null，然而没有初始化，其余线程有可能这个时候进入了 getInstance 的第一个 if(instance == null) 判断不为 nulll，导致谬误应用了没有初始化的非 null 实例，这样的话就会出现异常，这个就是驰名的 DCL 生效问题。

当咱们在援用变量下面增加 volatile 关键字当前，会通过在创建对象指令的前后增加内存屏障来禁止指令重排序，就能够防止这个问题，而且对 volatile 润饰的变量的批改对其余任何线程都是可见的。

5、动态外部类

代码实现如下：


/**
 * 动态外部类实现单例
 *
 * @className: Singleton
 * @date: 2021/6/7 14:32
 */
public class Singleton {
    // 1、私有化构造方法
    private Singleton() {}
    
    // 2、对外提供获取实例的公共办法
    public static Singleton getInstance() {return InnerClass.INSTANCE;}

    // 定义动态外部类
    private static class InnerClass{private final static Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

}

长处：懒加载，线程平安，效率较高，实现简略

动态外部类单例是如何实现懒加载的呢？首先，咱们先理解下类的加载机会。

虚拟机标准要求有且只有 5 种状况必须立刻对类进行初始化（加载、验证、筹备须要在此之前开始）：

  1. 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 这 4 条字节码指令时。生成这 4 条指令最常见的 Java 代码场景是：应用 new 关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的动态字段（final 润饰除外，被 final 润饰的动态字段是常量，已在编译期把后果放入常量池）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
  2. 应用 java.lang.reflect 包办法对类进行反射调用的时候。
  3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则须要先触发其父类的初始化。
  4. 当虚拟机启动时，用户须要指定一个要执行的主类（蕴含 main()的那个类），虚构机会先初始化这个主类。
  5. 当应用 JDK 1.7 的动静语言反对时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最初的解析后果是 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的办法句柄，则须要先触发这个办法句柄所对应的类的初始化。

这 5 种状况被称为是类的被动援用，留神，这里《虚拟机标准》中应用的限定词是 “有且仅有“，那么，除此之外的所有援用类都不会对类进行初始化，称为被动援用。动态外部类就属于被动援用的状况。

当 getInstance()办法被调用时，SingleTonHoler 才在 SingleTon 的运行时常量池里，把符号援用替换为间接援用，这时动态对象 INSTANCE 也真正被创立，而后再被 getInstance()办法返回进来，这点同饿汉模式。

那么 INSTANCE 在创立过程中又是如何保障线程平安的呢？在《深刻了解 JAVA 虚拟机》中，有这么一句话:

 虚构机会保障一个类的 <clinit>() 办法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的 <clinit>() 办法，其余线程都须要阻塞期待，直到流动线程执行 <clinit>() 办法结束。如果在一个类的 <clinit>() 办法中有耗时很长的操作，就可能造成多个过程阻塞 ( 须要留神的是，其余线程尽管会被阻塞，但如果执行 <clinit>() 办法后，其余线程唤醒之后不会再次进入 <clinit>() 办法。同一个加载器下，一个类型只会初始化一次。)，在理论利用中，这种阻塞往往是很荫蔽的。

从下面的剖析能够看出 INSTANCE 在创立过程中是线程平安的，所以说动态外部类模式的单例可保障线程平安，也能保障单例的唯一性，同时也提早了单例的实例化。

6、枚举单例

代码实现如下：

/**
 * 枚举实现单例
 *
 * @className: Singleton
 * @date: 2021/6/7 14:32
 */
public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void doSomething(String str) {System.out.println(str);
    }
}

长处：简略，高效，线程平安，能够防止通过反射毁坏枚举单例

枚举在 java 中与一般类一样，都能领有字段与办法，而且枚举实例创立是线程平安的，在任何状况下，它都是一个单例，能够间接通过如下形式调用获取实例：

Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;

应用上面的命令反编译枚举类

javap Singleton.class

失去如下内容

Compiled from "Singleton.java"
public final class com.spring.demo.singleton.Singleton extends java.lang.Enum<com.spring.demo.singleton.Singleton> {
  public static final com.spring.demo.singleton.Singleton INSTANCE;
  public static com.spring.demo.singleton.Singleton[] values();
  public static com.spring.demo.singleton.Singleton valueOf(java.lang.String);
  public void doSomething(java.lang.String);
  static {};}

从枚举的反编译后果能够看到，INSTANCE 被 static final 润饰，所以能够通过类名间接调用，并且创建对象的实例是在动态代码块中创立的，因为 static 类型的属性会在类被加载之后被初始化，当一个 Java 类第一次被真正应用到的时候动态资源被初始化、Java 类的加载和初始化过程都是线程平安的，所以创立一个 enum 类型是线程平安的。

通过反射毁坏枚举，实现代码如下：

public class Test {public static void main(String[] args) throws Exception {
        Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;
        singleton.doSomething("hello enum");

        // 尝试应用反射毁坏单例
        // 枚举类没有空参构造方法，反编译后能够看到枚举有一个两个参数的构造方法
        Constructor<Singleton> declaredConstructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
        // 设置强制拜访
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        // 创立实例，这里会报错，因为无奈通过反射创立枚举的实例
        Singleton enumSingleton = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println(enumSingleton);
    }
}

运行后果报如下谬误：

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
    at java.base/java.lang.reflect.Constructor.newInstanceWithCaller(Constructor.java:492)
    at java.base/java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:480)
    at com.spring.demo.singleton.Test.main(Test.java:24)

查看反射创立实例的 newInstance() 办法，有如下判断：

所以无奈通过反射创立枚举的实例。

六、总结

在 java 中，如果一个 Singleton 类实现了 java.io.Serializable 接口，当这个 singleton 被屡次序列化而后反序列化时，就会创立多个 Singleton 类的实例。为了防止这种状况，应该实现 readResolve 办法。请参阅 javadocs 中的 Serializable () 和 readResolve Method ()。


public class Singleton implements Serializable {
    // 1、私有化构造方法
    private Singleton() {}

    // 2、对外提供获取实例的公共办法
    public static Singleton getInstance() {return InnerClass.instance;}

    // 定义动态外部类
    private static class InnerClass{private final static Singleton instance = new Singleton();
    }


    // 对象被反序列化之后，这个办法立刻被调用，咱们重写这个办法返回单例对象.
    protected Object readResolve() {return getInstance();
    }
}

应用单例设计模式须要留神的点：

  • 多线程 - 在多线程应用程序中必须应用单例时，应特地小心。
  • 序列化 - 当单例实现 Serializable 接口时，他们必须实现 readResolve 办法以防止有 2 个不同的对象。
  • 类加载器 - 如果 Singleton 类由 2 个不同的类加载器加载，咱们将有 2 个不同的类，每个类加载一个。
  • 由类名示意的全局拜访点 - 应用类名获取单例实例。这是一种拜访它的简略办法，但它不是很灵便。如果咱们须要替换 Sigleton 类，代码中的所有援用都应该相应地扭转。

本文简略介绍了单例设计模式的几种实现形式，除了枚举单例，其余的所有实现都能够通过反射毁坏单例模式，在《effective java》中举荐枚举实现单例模式，在理论场景中应用哪一种单例实现，须要依据本人的状况抉择，适宜以后场景的才是比拟好的形式。

参考文章

https://blog.csdn.net/mnb6548…

https://www.oodesign.com/sing…

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