GOF设计模式之1：单例设计模式

2022-03-30 11:48:26

1.单例设计模式核心作用：

保证一个类只有一个实例，并且提供了访问该实例的全局访问点

2.常见应用场景：

window的任务管理器
项目中读取配置文件一般也是一个单例模式
数据库连接池的设计也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源
操作系统的文件管理系统，也是单例模式，一个操作系统只能有一个文件系统
Application也是单例的应用（Servlet编程或者Android的Application类）
在Spring中，每个bean默认也是单例的，这样的有点儿事Spring容器可以管理
在Servlet编程中每个Servlet也是单例的
在Spring MVC和Struts1框架中控制器对象也是单例

3.单例模式的优点

由于单例模式只生产一个对象，减少了系统开销，当一个对象的产生需要的资源比较多的时候，比如读取配置文件、产生其它依赖对象时，则可以在应用启动的时候直接产生一个单例对象，然后永久驻存内存的方式来解决。
单例模式可以在系统设置全局访问点，优化共享资源的访问。例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射。

4.常见5中单例模式的实现方式：

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。但是可以延迟加载

其它：

双重检锁式：由于JVM底层内部模型的原因，偶尔会出现问题，不建议使用

静态内部类式：线程安全，调用效率高，而且可以延迟加载

枚举单例：线程安全，调用效率高，不可延迟加载

饿汉式的示例代码：

public class Singleton01 {

    //类初始化的时候，立即加载这个对象（没有延时加载的优势）。加载类时，是线程安全的

    private static Singleton01 instance = new Singleton01();

    private Singleton01(){}

    //方法没有同步调用效率高

    public static Singleton01 getInstance(){

        return instance;

    }

}

饿汉式单例模式的代码中，static变量会在类装载的时候进行初始化，此时不会涉及到多个线程对象访问该对象的问题。虚拟机会保证只会装载一次该类，肯定不会发生并发访问的问题，因此可以省略synchronized关键字

问题：如果仅仅是加载本类，而不是要调用getInstance，甚至永远都没有调用，则会造成资源浪费。

懒汉式的示例代码

 package com.chunjiangchao.pattern.singleton;

 /**

  * 测试懒汉式单例模式

  */

 public class Singleton02 {

     //类初始化的时候，不初始化这个对象（延时加载，真正用的时候再创建）。

     private static Singleton02 instance = null;

     private Singleton02(){}

     ////方法同步，调用效率低！

     public static synchronized Singleton02 getInstance(){

         if(instance == null)

             instance = new Singleton02();

         return instance;

     }

 }

要点：延迟加载，懒加载真正用到的时候才会选择加载

问题：

资源利用率高了，但是每次调用getInstance()方法都要同步，并发效率较低。

双重检锁实现

 package com.chunjiangchao.pattern.singleton;

 /**

  * 测试DCL（双重检锁）单例模式

  *

  */

 public class Singleton03 {

     //类初始化的时候，不初始化这个对象（延时加载，真正用的时候再创建）。

     private volatile static Singleton03 instance = null;

     private Singleton03(){}

     ////代码块同步，调用效率要比同步方法要快一些，由于JVM的原因在高并发的情况下会出现问题

     public static  Singleton03 getInstance(){

         if(instance == null){

             synchronized (Singleton03.class) {

                 if(instance == null)

                     instance = new Singleton03();

             }

         }

         return instance;

     }

 }

Volatile关键字的作用：

防止指令重排序如：instance = new Singleton03();这条操作分三步执行，1、分配内存；2、进行初始化；3、将生成对象的堆内存地址赋值给instance变量。这些指令中2、 3的位置可能会进行重排序，导致在获取到对象的时候，该对象还没有进行初始化。volatitle可以防止这种指令进行重排序。
当然Volatile还有一个作用是同步CPU缓存区和内存中的变量

提高了执行的效率，不必每次获取对象的时候都要进行同步，只有第一次才会进行同步创建。

问题：

由于编译器优化的原因和JVM底层内部模型原因，偶尔会出现问题，不建议使用。但是我们可以在instance前面添加volatile关键字，这样就没问题了。

静态内部类实现方式：（懒加载方式）

 package com.chunjiangchao.pattern.singleton;

 /**

  * 静态内部类单例模式

  * 这种方式：线程安全，调用效率高，并且实现了延时加载！

  */

 public class Singleton04 {

     private Singleton04(){}

     public static  Singleton04 getInstance(){

         return Inner.instance;

     }

     private static class Inner{

         private static final Singleton04 instance = new Singleton04();

     }

 }

外部类没有static属性，则不会像饿汉式那样，上来就把对象造出来了

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 final类型，保证了内存中只有这样一个实例存在，而且只被赋值一次，从而保证了线程安全性。

兼并并发高效调用和延迟加载的优势。

换一句户说：静态内部有具备饿汉式和延迟加载的优势。

枚举实现单例：

 package com.chunjiangchao.pattern.singleton;

 /**

  * 枚举式实现单例模式(没有延时加载)

  */

 public enum Singleton05 {

     instance;//这个枚举元素，本身就是单例对象！

     public void operation(){

         //添加需要的操作

     }

 }

优点：实现简单；枚举本身就是单例。由JVM从根本上提供保障。避免反射和序列化的漏洞

缺点：无延迟加载

5.如何选用这五种单例模式？

单例对象占用资源少，不需要延迟加载：

枚举好于饿汉式

单例对象占用资源大，需要延迟加载

静态内部类好于懒汉式

6.问题

反射可以破解上面（不包含枚举）的实现方式（防止的做法是在构造方法中手动抛出异常）

反序列化可以破解（不包含枚举）的实现方式

可以通过定义readResolve防止获得不同对象。反序列化的时候，如果对象所在的类定义了readResolve()方法（一种回调方法），返回自己创建的那个对象。

示例代码如下：

 package com.bjsxt.singleton;

 import java.io.ObjectStreamException;

 import java.io.Serializable;

 /**

  * 测试懒汉式单例模式(如何防止反射和反序列化漏洞)

  *

  */

 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;

     }

 }

测试代码如下：

 package com.chunjiangchao.pattern.singleton;

 import java.io.FileInputStream;

 import java.io.FileNotFoundException;

 import java.io.FileOutputStream;

 import java.io.ObjectInputStream;

 import java.io.ObjectOutputStream;

 import java.lang.reflect.Constructor;

 /**

  * 测试单例模式

  */

 public class SingletonDemo {

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

         Singleton01 singleton01 = Singleton01.getInstance();

         Singleton01 singleton02 = Singleton01.getInstance();

         System.out.println(singleton01.hashCode());

         System.out.println(singleton02.hashCode());

         /**

         //测试反射

         try {

             Class<?> clazz = Class.forName("com.chunjiangchao.pattern.singleton.Singleton06");

             Constructor<?> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);

             constructor.setAccessible(true);

             Singleton06 singleton06 = (Singleton06) constructor.newInstance(null);

             System.out.println(singleton06);

             System.out.println(Singleton06.getInstance());

         } catch (Exception e) {

             e.printStackTrace();

         }

         //打印的结果：

         //com.chunjiangchao.pattern.singleton.Singleton06@495c83b2

         //com.chunjiangchao.pattern.singleton.Singleton06@58ca40be

          */

         //通过序列化获取一个对象

         Singleton06 instance = Singleton06.getInstance();

         FileOutputStream fos =  new FileOutputStream("/Users/xxx/Desktop/a.txt");

         ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);

         oos.writeObject(instance);

         oos.close();

         fos.close();

         FileInputStream fis = new FileInputStream("/Users/xxx/Desktop/a.txt");

         ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);

         Object obj = ois.readObject();

         ois.close();

         fis.close();

         System.out.println(instance);

         System.out.println(obj);

     }

 }

7、测试几种模式的效率

五种单例模式在多线程环境下效率测试：使用CountDownLatch同步工具类，允许当前线程等待其它一组线程都执行完毕后，执行当前线程的后续操作。

countDown()当前线程执行此方法，计数器-1

await()调动此方法会一直阻塞当前线程，知道计数器为0的时候重新运行当前线程

下面示例代码来演示当前线程执行的效率：

 package com.chunjiangchao.pattern.singleton;

 import java.util.concurrent.CountDownLatch;

 /**

  * 五种单例模式的性能测试

  *

  */

 public class SingletonDemo02 {

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

         int threadNum = 10;

         long beginTime = System.currentTimeMillis();

         final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadNum);

         for (int i = 0; i < threadNum; i++) {

             new Thread(new Runnable() {

                 @Override

                 public void run() {

                     for (int j = 0; j < 20000; j++) {

                         //Singleton01.getInstance();//18ms

                         //Singleton02.getInstance();//49ms

                         //Singleton03.getInstance();//22ms

                         //Singleton04.getInstance();//32ms

                         Singleton05 instance = Singleton05.instance;//9ms

                     }

                     countDownLatch.countDown();

                 }

             }).start();

         }

         //让主线程进行阻塞

         countDownLatch.await();

         long endTime = System.currentTimeMillis();

         System.out.println(endTime-beginTime);

     }

 }