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设计模式之单例模式(Singleton Pattern)

发布于2021-03-10 18:27 阅读(1367) 评论(0) 点赞(17) 收藏(1)

一、定义

一个类只有一个实例，且该类能自行创建这个实例的一种模式。

二、单例模式举例

　　例如，Windows 中只能打开一个任务管理器，这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费，或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。

　　在计算机系统中，还有 Windows 的回收站、操作系统中的文件系统、多线程中的线程池、显卡的驱动程序对象、打印机的后台处理服务、应用程序的日志对象、数据库的连接池、网站的计数器、Web 应用的配置对象、应用程序中的对话框、系统中的缓存等常常被设计成单例。

　　J2EE 标准中的ServletContext 和 ServletContextConfig、Spring框架应用中的 ApplicationContext、数据库中的连接池等也都是单例模式。

三、特点及优缺点

特点：

单例类只有一个实例对象；
该单例对象必须由单例类自行创建；
单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。

优点：

单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存的开销。
可以避免对资源的多重占用。
单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。

缺点：

单例模式一般没有接口，扩展困难。如果要扩展，则除了修改原来的代码，没有第二种途径，违背开闭原则。
在并发测试中，单例模式不利于代码调试。在调试过程中，如果单例中的代码没有执行完，也不能模拟生成一个新的对象。
单例模式的功能代码通常写在一个类中，如果功能设计不合理，则很容易违背单一职责原则。

四、单例模式的几种实现方式

　　单例实现把握住一个原则即可：类的构造函数设为私有的，外部类就无法调用该构造函数，也就无法生成多个实例。这时该类自身必须定义一个静态私有实例，并向外提供一个静态的公有函数用于创建或获取该静态私有实例。

要点：

构造方法私有化；
实例化的变量引用私有化；
获取实例的方法共有

第1种：饿汉模式

饿汉模式就是在类加载时，就把单例对象加载出来，实现如下:

/**
 * 要点:1.类加载时就创建对象
 *      2.构造方法私有化
 *      3.提供私有成员变量
 *      4.提供对外获取方法
 */
public class HungrySingleton {
    //类加载时就创建对象
    private static HungrySingleton singleton=new HungrySingleton();
    
    //提供私有构造器
    private HungrySingleton(){
        
    }
    //提供对外获取方法,一般为静态
    public static HungrySingleton getInstance(){
        return  singleton;
    }
}

第2种：懒汉模式

懒汉模式就是懒加载机制，当有地方用单例对象时，再创建对象，如果一直没有用，则不创建单例对象。代码如下:

/**
 * 要点:1.使用时创建对象
 *      2.构造方法私有化
 *      3.提供私有成员变量
 *      4.提供对外获取方法,注意线程安全问题
 */
public class LazySingletom {
    //创建私有变量，但是不new对象
    private static LazySingletom singletom=null;
    
    //私有构造器
    private LazySingletom(){
        
    }
    //提供对外获取方法，考虑到线程安全，用锁
    public static synchronized LazySingletom getInstance(){
        if(singletom==null){
            singletom=new LazySingletom();
        }
        return singletom;
    }
}

第3种：双重检查锁模式

在懒汉式方式中，synchronized锁住了整个方法，这影响了效率，针对此问题，设计出了双重检查锁机制

/**
 * 双重检查锁机制:1.使用时创建对象
 *  *      2.构造方法私有化
 *  *      3.提供私有成员变量
 *  *      4.提供对外获取方法,线程安全放在方法内判断
 */
public class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton(){

    }

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

第4种：枚举实现

利用枚举实现单例，简单又简便，代码如下:

/**
 * 枚举实现单例模式
 */
public enum EnumSingleton {
    //定义枚举实例，这就是一个单例对象
    INSTANCE;

    /**
     * 枚举是一种特殊的类，可以定义类里的成员方法，属性等特征，可以任意定义东西
     */
    public void getDes(){
        System.out.println("枚举单例模式");
    }

}

对于枚举不了解的同学，可以阅读这篇文章熟悉枚举:《JAVA中枚举Enum详解》

五、序列化和反射，对单例造成的影响

　　上述讲解了单例模式的几种实现方式，但是有些实现方式存在着漏洞，反射和序列化操作，会破坏单例，生成多个对象，下面我们来进行说明和讲解。

首先，我们看反射，对上面几种方式造成的影响。

我们知道，通过反射，可以获得类里的私有属性，包括私有构造器。所以，无论是恶汉式也好，懒汉式也好，还是双重检查锁模式也好，我们都可以用反射，来获得其私有构造器，然后进行对象的创建。这样，我们就可以创建出多个对象了。所以，反射，对这三种模式会造成危害。代码如下:

import java.lang.reflect.Constructor;

/**
 * 我们拿饿汉模式来演示反射对单例的破坏
 */
public class ReflectSingleton {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //通过单例本身拿到单例对象
        HungrySingleton singleton=HungrySingleton.getInstance();
        System.out.println(singleton);
        //通过反射拿到单例对象
       Class clzz= HungrySingleton.class;
        Constructor<HungrySingleton> declaredConstructor = clzz.getDeclaredConstructor();
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        HungrySingleton singletonReflect = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println(singletonReflect);

    }
}

运行main方法，查看运行结果:

可以看到两个对象的地址值不一致，说明是两个对象。破坏了单例模式。

那么我们如何改造呢？就饿汉模式而言，我们在私有构造器里做判断，如果私有成员变量不是null，则抛出异常，阻止通过反射创建新对象，改造后的代码如下:

/**
 * 要点:1.类加载时就创建对象
 *      2.构造方法私有化
 *      3.提供私有成员变量
 *      4.提供对外获取方法
 */
public class HungrySingleton {
    //类加载时就创建对象
    private static HungrySingleton singleton=new HungrySingleton();

    //提供私有构造器
    private HungrySingleton(){
        if(singleton!=null){
            throw new RuntimeException("禁止通过反射创建单例对象");
        }

    }
    //提供对外获取方法,一般为静态
    public static HungrySingleton getInstance(){
        return  singleton;
    }
}

这样，我们就可以防止反射破坏饿汉式单例了。但是对于懒汉式和双重检查锁模式，不能这么改造，来阻止反射破坏单例。因为单例对象不是第一时间创建的，如果第一时间通过反射获取私有构造，这时私有成员变量是null，那么，就能通过反射，创建出来对象了。当有程序调用单例的getInstance()方法时，又会创建出一个对象，就破坏了单例。所以，对于懒汉式和双重检查锁模式，无法避免反射的危害。

对于枚举模式而言，我们无法通过反射获取枚举的构造器，因为枚举的构造器，只能通过jvm调用。所以，枚举模式无需改造，可以防止单例的破坏。

下面，我们讲序列化，对单例造成的影响。如果我们的单例，不需要实例化，则不用考虑该问题，但是如果单例类实现了Serializable接口，则单例模式会有问题。我们来补充一下序列化的知识：

1.每个类可以实现readObject、writeObject方法实现自己的序列化策略。

2.任何一个readObject方法，不管是显式的还是默认的，它都会返回一个新建的实例，这个新建的实例不同于该类初始化时创建的实例

3.每个类可以实现private Object readResolve()方法，在调用readObject方法之后，如果存在readResolve方法则自动调用该方法，readResolve将对readObject的结果进行处理，而最终readResolve的处理结果将作为readObject的结果返回。readResolve的目的是保护性恢复对象，其最重要的应用就是保护性恢复单例、枚举类型的对象。

由上面的，我们可以在单例类里自定义readResolve方法，返回我们自己定义的单例，来保证序列化对单例没有影响。

需要注意的是，jdk对枚举类型的序列化，已经做了单例的机制，所以，在枚举模式中，自动规避了序列化造成的问题。

经验之谈：几种模式中，虽然枚举模式是效果最好，没有缺陷的一种方式，但是我们没有必要所有的单例模式都用枚举。如果对性能没有很高要求，饿汉式是一个不错的选择。如果对性能有要求，双重检查锁机制是个不错的选择。