设计模式之单例模式

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0x01. 定义与类型

  • 定义：保证一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点
  • 类型：创建型
  • UML

  • 单例模式的基本要素

    • 私有的构造方法
    • 指向自己实例的私有静态引用
    • 以自己实例为返回值的静态的公有的方法

0x02. 适用场景

  • 像确保任何情况下都绝对只有一个实例
  • 需要频繁实例化然后销毁的对象。
  • 创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象。
  • 有状态的工具类对象。
  • 频繁访问数据库或文件的对象。

0x03. 单例模式的优缺点

1. 优点

  • 在内存里只有一个实例，减少了内存开销
  • 可以避免对资源的多重占用
  • 避免重复创建对象，提高性能
  • 设置全局访问点，严格控制访问

2. 缺点

  • 没有接口，扩展困难
  • 违反开闭原则

0x04. 单例模式的几种实现方式

1. 饿汉式

  • 饿汉式：顾名思义，对象比较饥饿，所以一开始就创建好了。饿汉式也是单例模式的最简单实现。
  • Java 实现
/**
 * 饿汉式
 * 一开始就 new 好了
 */
public class HungrySingleton implements Serializable {
 
    /**
     * 可以直接 new 也可以适用静态块中创建
     * */
    private final static HungrySingleton hungrySingleton;
 
    static {hungrySingleton = new HungrySingleton1();
    }
 
    public static HungrySingleton getInstance() {return hungrySingleton;}
    /**
     * 私有构造函数
     */
    private HungrySingleton() {}
}
  • 饿汉式的单例模式，对象一开始就创建好了。不需要考虑线程安全问题。
  • 饿汉式单例模式如果消耗资源比较多，而对象未被适用则会造成资源浪费。

2. 懒汉式

  • 懒汉式：说明类对象比较懒，没有直接创建，而是延迟加载的，是第一次获取对象的时候才创建。懒汉式的单例模式应用较多。

a. 第一个版本的 Java 实现（非线程安全）

/**
 * 懒汉式
 * 线程不安全
 */
public class LazySingleton {
 
    private static LazySingleton lazySingleton = null;
 
    // 线程不安全，当有两个线程同时创建对象，会违背单例模式
    public static LazySingleton getInstance() {if (lazySingleton == null) {
            // 会发生指令重排
            lazySingleton = new LazySingleton();}
        return lazySingleton;
    }
    private LazySingleton() {}
}
  • 这个版本的懒汉式会出现线程安全的问题，当两个线程同时访问 getInstance()静态方法时，lazySingleton 还未创建，就会创建出两个实例，违背了单例模式。
  • 这里可以在 getInstance()方法添加同步锁 synchronized 解决，也可以在方法体添加类锁，但是这样相当于完全锁住了 getInstance()，会出现性能问题。
  • 推荐适用下面这种方式

b. 双重检查锁 double check 懒汉式（线程安全，通常适用这种方式）

/**
 * 懒汉式
 * 线程不安全
 */
public class LazyDoubleCheckSingleton {
 
    //volatile 禁止指令重排序
    private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null;
 
    /**
     * 在静态方法中直接加 synchronized 相当于锁了类
     * @return
     */
    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
        // 同样实锁类, 指令重排序
        if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
                    /**
                     * 1. 分配内存给这个对象
                     * 2. 初始化对象
                     * 3. 设置 lazyDoubleCheckSingleton 指向刚分配的内存
                     * 2 3 顺序有可能发生颠倒
                     * intra-thread semantics 不会改变单线程执行结果，指令重排序
                     */
                    lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();}
            }
        }
        return lazyDoubleCheckSingleton;
    }
    private LazyDoubleCheckSingleton() {}
}
  • 双重检查，只有对象为空的时候才会需要同步锁，而第二次判断是否为 null，是对象是否已经创建。
  • 添加 volatile 关键字，防止指令重排序。

c. 基于静态内部类的延迟加载方案

  • 私有静态类的延迟加载
public class StaticInnerClassSingleton {
 
    /**
     * 看静态类的初始化锁那个线程可以拿到
     */
    private static class InnerClass {private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton();
    }
 
    public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {return InnerClass.staticInnerClassSingleton;}
 
    private StaticInnerClassSingleton () {if (InnerClass.staticInnerClassSingleton != null) {throw new RuntimeException("单例对象禁止反射调用");
        }
    }
}
  • 将延迟初始化交给静态类的初始化

3. 容器单例

  • 使用静态容器方式来实现多单例类
public class ContainerSingleton {
 
    // 静态容器，注意 map 不是线程安全的，如果为了线程安全可以使用 HashTable 或者 ConcurrentHashMap
    private static Map<String, Object> singletonMap = new HashMap<>();
 
    public static void putInstance (String key, Object instance) {if (key != null && key.length() != 0) {if (!singletonMap.containsKey(key)) {singletonMap.put(key, instance);
            }
        }
    }
 
    public static Object getInstance (String key) {return singletonMap.get(key);
    }
}
  • 容器单例如果要保证线程安全性，建议使用 ConcurrentHashMap
  • 通常使用容器单例情况是：单例对象比较多，需要统一维护。

4. 枚举单例模式（推荐使用）

  • 枚举单例是从 JVM 层面上做的限制
public enum EnumInstance {
 
    /**
     * 具体的单例实例
     */
    INSTANCE {protected void  printTest () {System.out.println("K.O print Test!");
        }
    };
    private Object data;
    protected abstract void printTest();
    public Object getData() {return data;}
    public void setData(Object data) {this.data = data;}
    public static EnumInstance getInstance() {return INSTANCE;}
}
  • 后续会介绍到，单例模式完美防御了反射与序列化攻击

5.ThreadLocal 线程单例（并不是严格意义上的单例模式）

  • 有一部分场景，要求对象的生命周期随着线程
/**
 * 线程级单例模式
 */
public class ThreadLocalInstance {
 
    // 静态的 ThreadLocal 类保存对象
    private static final ThreadLocal<ThreadLocalInstance> threadLocal =
            ThreadLocal.withInitial(ThreadLocalInstance::new);
 
    private ThreadLocalInstance () {}
 
    public static ThreadLocalInstance getInstance () {return threadLocal.get();
    }
}
  • 通过 getInstance()获取该线程的实例。

0x05. 单例模式的序列化与反射攻击

1. 序列化攻击

  • 以前面饿汉式举例
  • 测试代码
public class SerializableTest {public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        //1. 实例化
        HungrySingleton instance = HungrySingleton.getInstance();
 
        //2. 写入本地文件
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton_file"));
        oos.writeObject(instance);
 
        //3. 读取
        File file = new File("singleton_file");
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        HungrySingleton newInstance = (HungrySingleton) ois.readObject();
 
        //4. 比较
        System.out.println(instance);
        System.out.println(newInstance);
        System.out.println(instance == newInstance);
    }
}
  • 输出结果
org.ko.singleton.hungry.HungrySingleton@135fbaa4
org.ko.singleton.hungry.HungrySingleton@568db2f2
false
  • 解决方案：添加 readResolve() 方法
  • 修改后
/**
 * 饿汉式
 * 一开始就 new 好了
 */
public class HungrySingleton implements Serializable {
 
    private final static HungrySingleton hungrySingleton;
 
    static {hungrySingleton = new HungrySingleton();
    }
 
    public static HungrySingleton getInstance() {return hungrySingleton;}
 
    /**
     * 写完后，序列化对象会通过反射调用这个方法
     * 完全是 ObjectInputStream 写死的，并没有任何继承关系
     * 其实每次序列化 反序列化 都已经创建对象了，只是最后返回的这一个
     * @return
     */
    private Object readResolve () {return hungrySingleton;}
 
    private HungrySingleton() {}
}
  • 输出结果
org.ko.singleton.hungry.HungrySingleton@135fbaa4
org.ko.singleton.hungry.HungrySingleton@135fbaa4
true

  • 为什么添加了 readResolve() 方法就可以了?

    • ObjectInputStream 源码中，读取文件时写死判断是否有 readResolve()方法，有调用这个方法，没有则重新创建对象。

2. 反射攻击

  • 通过反射攻击，实例化对象创建出第二个单例对象
/**
 * 类加载时就已经创建好对象
 */
public class ReflectTest {public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
        Class objectClass = HungrySingleton.class;
 
        Constructor constructor = objectClass.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true);
 
        // 反射创建
        HungrySingleton instance = HungrySingleton.getInstance();
 
        // 正常创建
        HungrySingleton newInstance = (HungrySingleton) constructor.newInstance();
 
        System.out.println(instance);
        System.out.println(newInstance);
        System.out.println(instance == newInstance);
 
        //StaticInnerClassSingleton 类也是一样的
    }
}
  • 测试结果
org.ko.singleton.hungry.HungrySingleton@1540e19d
org.ko.singleton.hungry.HungrySingleton@677327b6
false
  • 解决办法：在构造方法抛出异常
/**
 * 饿汉式
 * 一开始就 new 好了
 */
public class HungrySingleton implements Serializable {
 
    private final static HungrySingleton hungrySingleton;
 
    static {hungrySingleton = new HungrySingleton();
    }
 
    public static HungrySingleton getInstance() {return hungrySingleton;}
 
    /**
     * 写完后，序列化对象会通过反射调用这个方法
     * 完全是 ObjectInputStream 写死的，并没有任何继承关系
     * 其实每次序列化 反序列化 都已经创建对象了，只是最后返回的这一个
     * @return
     */
    private Object readResolve () {return hungrySingleton;}
 
    private HungrySingleton() {
        /**
         * 对一开始就创建好了的类有效
         */
        if (hungrySingleton != null) {throw new RuntimeException("单例对象禁止反射调用");
        }
    }
}
  • 再次测试输出结果
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:423)
  at org.ko.singleton.ReflectTest1.main(ReflectTest1.java:23)
Caused by: java.lang.RuntimeException: 单例对象禁止反射调用
  at org.ko.singleton.hungry.HungrySingleton2.<init>(HungrySingleton2.java:36)
  ... 5 more
  • 注意使用这种方式防止反射攻击，饿汉式正常，懒汉式因为创建对象的时机不同还是会出现问题，这种方式只能做到尽量的防御。

3. 关于枚举单例模式防止序列化与反射

  • 枚举模式的实例天然具有线程安全性，防止序列化与反射的特性
  • 验证代码
/**
 * 枚举类测试
 */
public class SerializableTest {public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        // 测试枚举类型
        EnumInstance instance = EnumInstance.getInstance();
        // 设置对象
        instance.setData(new Object());
 
        // 写入文件
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton_file"));
        oos.writeObject(instance);
 
        // 读取文件
        File file = new File("singleton_file");
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        EnumInstance newInstance = (EnumInstance) ois.readObject();
 
        // 比较实例
        System.out.println(instance);
        System.out.println(newInstance);
        System.out.println(instance == newInstance);
 
        // 比较实例中引用对象
        System.out.println(instance.getData());
        System.out.println(newInstance.getData());
        System.out.println(instance.getData() == newInstance.getData());
    }
}
  • 测试结果：
INSTANCE
INSTANCE
true
java.lang.Object@5fd0d5ae
java.lang.Object@5fd0d5ae
true
  • 反射攻击测试
/**
 * 类加载时就已经创建好对象
 */
public class ReflectTest {public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
        Class objectClass = EnumInstance.class;
 
        Constructor constructor = objectClass.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
        constructor.setAccessible(true);
 
        // 反射对象
        EnumInstance newInstance = (EnumInstance) constructor.newInstance("K.O", 1);
        // 实例对象
        EnumInstance instance = EnumInstance.getInstance();
 
        System.out.println(instance);
        System.out.println(newInstance);
        System.out.println(instance == newInstance);
    }
}
  • 测试结果，枚举类没办法通过构造函数创建实例
Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
  at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417)
  at org.ko.singleton.ReflectTest3.main(ReflectTest3.java:21)
  • 枚举类反编译结果
//final 的
public final class EnumInstance extends Enum{public static EnumInstance[] values(){return (EnumInstance[])$VALUES.clone();}
 
    public static EnumInstance valueOf(String name){return (EnumInstance)Enum.valueOf(org/ko/singleton/byenum/EnumInstance, name);
    }
 
    // 私有构造器
    private EnumInstance(String s, int i){super(s, i);
    }
 
    public Object getData(){return data;}
 
    public void setData(Object data){this.data = data;}
 
    public static EnumInstance getInstance(){return INSTANCE;}
 
    //static final
    public static final EnumInstance INSTANCE;
    private Object data;
    private static final EnumInstance $VALUES[];
 
    // 通过静态块加载它，比较像饿汉模式
    static {INSTANCE = new EnumInstance("INSTANCE", 0);
        $VALUES = (new EnumInstance[] {INSTANCE});
    }
}
  • 结论：如果不是特别重的对象，建议使用枚举单例模式，它是 JVM 天然的单例。

0x06. 单例模式关注的重点

  1. 私有构造器
  2. 线程安全
  3. 延迟加载
  4. 序列化和反序列化安全
  5. 反射攻击安全

0x07. 相关设计模式

  • 单例模式和工厂模式：工厂类可以设计成单例模式。
  • 单例模式和享元模式：可以通过享元模式来获取单例对象

0x08. 相关代码

单例模式：https://github.com/sigmako/design-pattern/tree/master/singleton

0x09. 参考文章

  • 慕课网设计模式精讲: https://coding.imooc.com/class/270.html
  • 23 种设计模式（1）：单例模式: https://blog.csdn.net/zhengzhb/article/details/7331369

正文完
后端 设计模式
发表至： java
2019-06-08
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