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JAVA常见的设计模式之单例模式
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懒汉模式
懒汉式是典型的时间换空间，也就是每次获取实例都会进行判断，看是否需要创建实例，浪费判断的时间。当然，如果一直没有人使用的话，那就不会创建实例，则节约内存空间(搬运工)。
标准的懒汉模式
class LazySingleton {
// 私有成员属性
private LazySingleton lazySingleton;
// 私有构造方法
private LazySingleton() {
}
// 公共的获取实例方法
public LazySingleton getLazySingleton() {
// 如果成员属性为空，则创建实例
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}单线程环境下，该单例模式只会有一个实例
public class TestDemo
{
public static void main(String[] args) {
LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getLazySingleton();
LazySingleton lazySingleton2 = LazySingleton.getLazySingleton();
System.out.println(lazySingleton == lazySingleton2);
}
}运行结果：
多线程模式下，可能会产生多个实例
public class TestDemo
{
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getLazySingleton();
System.out.println(lazySingleton);
}).start();
new Thread(() -> {
LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getLazySingleton();
System.out.println(lazySingleton);
}).start();
}
}运行结果：
初步改进
class LazySingleton {
// 私有成员属性
private static LazySingleton lazySingleton;
// 私有构造方法
private LazySingleton() {
}
// 公共的获取实例方法
public synchronized static LazySingleton getLazySingleton() {
// 如果成员属性为空，则创建实例
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}缺点，每次调用方法都会加锁，效率低
再次改进
class LazySingleton {
// 私有成员属性,使用volatile可以保证代码的有序性,防止指令重排
private volatile static LazySingleton lazySingleton;
// 私有构造方法
private LazySingleton() {
}
// 公共的获取实例方法
// 使用synchronized + 双重确认机制可以保证线程安全，但有可能存在指令重排，会导致创建多个实例
public static LazySingleton getLazySingleton() {
if (lazySingleton == null) {
synchronized (LazySingleton.class) {
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazySingleton();
}
}
}
return lazySingleton;
}
}静态类部类单例
/**
* 由静态内部类持有单例对象，并调用外部类的私有构造器初始化，由外部类调用静态内部类的属性
* 本质是一个懒汉模式，在类加载时才会初始化对象
*/
class InnerSingleton implements Serializable {
private static class InnerSingletonHolder {
private static InnerSingleton innerSingleton = new InnerSingleton();
}
private InnerSingleton() {
}
public static InnerSingleton getInnerSingleton() {
return InnerSingletonHolder.innerSingleton;
}
}静态类不类单例不会有线程安全问题，线程安全由类加载机制担保
恶汉模式
饿汉式是典型的空间换时间，当类装载的时候就会创建类实例，不管你用不用，先创建出来，然后每次调用的时候，就不需要再判断了，节省了运行时间(搬运工)。
// 利用类加载机制保证线程安全
class HungrySingleton {
private static HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getHungrySingleton() {
return hungrySingleton;
}
}枚举单例模式
package com.hy.test.singletonDemo;
public enum EnumSingletonDemo {
INSTANCE;
}
class EnumTest {
public static void main(String[] args) {
EnumSingletonDemo instance = EnumSingletonDemo.INSTANCE;
EnumSingletonDemo instance2 = EnumSingletonDemo.INSTANCE;
System.out.println(instance == instance2);
}
}
运行结果：
单例模式可能出现的问题(都会用静态类不类单例举例)
反射攻击
/**
* 测试demo
*
* @auther Hy
* @date 2020/8/25
*/
public class TestDemo {
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
InnerSingleton innerSingleton = InnerSingleton.getInnerSingleton();
Class clazz = InnerSingleton.class;
Constructor<InnerSingleton> declaredConstructor = clazz.getDeclaredConstructor();
declaredConstructor.setAccessible(true);
InnerSingleton innerSingleton1 = (InnerSingleton) declaredConstructor.newInstance();
System.out.println(innerSingleton == innerSingleton1);
}
}
/**
* 由静态内部类持有单例对象，并调用外部类的私有构造器初始化，由外部类调用静态内部类的属性
* 本质是一个懒汉模式，在类加载时才会初始化对象
*/
class InnerSingleton implements Serializable {
private static class InnerSingletonHolder {
private static InnerSingleton innerSingleton = new InnerSingleton();
}
private InnerSingleton() {
}
public static InnerSingleton getInnerSingleton() {
return InnerSingletonHolder.innerSingleton;
}
}运行结果：
由此可见，反射生成了一个新的对象，不符合单例模式的定义
解决方法：在私有构造器中添加判断，如果已存在实例对象，抛出异常(也可进行其他操作，根据需求决定)
优化后的代码如下
/**
* 测试demo
*
* @auther Hy
* @date 2020/8/25
*/
public class TestDemo {
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
InnerSingleton innerSingleton = InnerSingleton.getInnerSingleton();
Class clazz = InnerSingleton.class;
Constructor<InnerSingleton> declaredConstructor = clazz.getDeclaredConstructor();
declaredConstructor.setAccessible(true);
InnerSingleton innerSingleton1 = (InnerSingleton) declaredConstructor.newInstance();
System.out.println(innerSingleton == innerSingleton1);
}
}
/**
* 由静态内部类持有单例对象，并调用外部类的私有构造器初始化，由外部类调用静态内部类的属性
* 本质是一个懒汉模式，在类加载时才会初始化对象
*/
class InnerSingleton implements Serializable {
private static class InnerSingletonHolder {
private static InnerSingleton innerSingleton = new InnerSingleton();
}
private InnerSingleton() {
// 防止反射攻击，只有恶汉与静态类部类能防止反射攻击
if (InnerSingletonHolder.innerSingleton != null) {
throw new RuntimeException("单例模式已存在一个实例");
}
}
public static InnerSingleton getInnerSingleton() {
return InnerSingletonHolder.innerSingleton;
}
}运行结果：
注意：只有恶汉模式与静态类部类能防止反射攻击
序列化相关问题
首先，我们对创建的实例进行序列化，代码如下：
/**
* 测试demo
*
* @auther Hy
* @date 2020/8/25
*/
public class TestDemo {
public static void main(String[] args) throws IOException {
InnerSingleton innerSingleton = InnerSingleton.getInnerSingleton();
// 序列化测试
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("innerTest"));
oos.writeObject(innerSingleton);
oos.close();
// 反序列化
/* ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("innerTest"));
InnerSingleton innerSingleton1 = (InnerSingleton) ois.readObject();
System.out.println(innerSingleton == innerSingleton1);*/
}
}
/**
* 由静态内部类持有单例对象，并调用外部类的私有构造器初始化，由外部类调用静态内部类的属性
* 本质是一个懒汉模式，在类加载时才会初始化对象
*/
class InnerSingleton implements Serializable {
// 需要固定序列化版本号id，如果不固定,JVM会根据字段、方法等生成一个序列化ID，并存入对应的序列化文件，反序列化时,
// 会按照相同规则生成一个序列化版本号进行对比，如果类已经发生了改变,反序列化的版本号会对应不上,反序列化会失败
private static final long serialVersionUID = 7822769557659839582L;
private static class InnerSingletonHolder {
private static InnerSingleton innerSingleton = new InnerSingleton();
}
private InnerSingleton() {
// 防止反射攻击，只有恶汉与静态类不类能防止反射攻击
if (InnerSingletonHolder.innerSingleton != null) {
throw new RuntimeException("单例已存在一个实例");
}
}
public static InnerSingleton getInnerSingleton() {
return InnerSingletonHolder.innerSingleton;
}
}然后，我们进行反序列化，查看反序列化生成的实例跟单例的实例是否是同一个
/**
* 测试demo
*
* @auther Hy
* @date 2020/8/25
*/
public class TestDemo {
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
InnerSingleton innerSingleton = InnerSingleton.getInnerSingleton();
// 序列化测试
/* ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("innerTest"));
oos.writeObject(innerSingleton);
oos.close();*/
// 反序列化
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("innerTest"));
InnerSingleton innerSingleton1 = (InnerSingleton) ois.readObject();
System.out.println(innerSingleton == innerSingleton1);
}
}
/**
* 由静态内部类持有单例对象，并调用外部类的私有构造器初始化，由外部类调用静态内部类的属性
* 本质是一个懒汉模式，在类加载时才会初始化对象
*/
class InnerSingleton implements Serializable {
// 需要固定序列化版本号id，如果不固定,JVM会根据字段、方法等生成一个序列化ID，并存入对应的序列化文件，反序列化时,
// 会按照相同规则生成一个序列化版本号进行对比，如果类已经发生了改变,反序列化的版本号会对应不上,反序列化会失败
private static final long serialVersionUID = 7822769557659839582L;
private static class InnerSingletonHolder {
private static InnerSingleton innerSingleton = new InnerSingleton();
}
private InnerSingleton() {
// 防止反射攻击，只有恶汉与静态类不类能防止反射攻击
if (InnerSingletonHolder.innerSingleton != null) {
throw new RuntimeException("单例已存在一个实例");
}
}
public static InnerSingleton getInnerSingleton() {
return InnerSingletonHolder.innerSingleton;
}
}运行结果：
由此可见，反序列化创建了一个新的实例
解决方法：Serializable的源码中给出了提示
/**
* 测试demo
*
* @auther Hy
* @date 2020/8/25
*/
public class TestDemo {
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
InnerSingleton innerSingleton = InnerSingleton.getInnerSingleton();
// 序列化测试
/* ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("innerTest"));
oos.writeObject(innerSingleton);
oos.close();*/
// 反序列化
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("innerTest"));
InnerSingleton innerSingleton1 = (InnerSingleton) ois.readObject();
System.out.println(innerSingleton == innerSingleton1);
}
}
/**
* 由静态内部类持有单例对象，并调用外部类的私有构造器初始化，由外部类调用静态内部类的属性
* 本质是一个懒汉模式，在类加载时才会初始化对象
*/
class InnerSingleton implements Serializable {
// 需要固定序列化版本号id，如果不固定,JVM会根据字段、方法等生成一个序列化ID，并存入对应的序列化文件，反序列化时,
// 会按照相同规则生成一个序列化版本号进行对比，如果类已经发生了改变,反序列化的版本号会对应不上,反序列化会失败
private static final long serialVersionUID = 7822769557659839582L;
private static class InnerSingletonHolder {
private static InnerSingleton innerSingleton = new InnerSingleton();
}
private InnerSingleton() {
// 防止反射攻击，只有恶汉与静态类不类能防止反射攻击
if (InnerSingletonHolder.innerSingleton != null) {
throw new RuntimeException("单例已存在一个实例");
}
}
public static InnerSingleton getInnerSingleton() {
return InnerSingletonHolder.innerSingleton;
}
// 反序列化时,如果是单例模式,需要重写该方法,返回单例的实例，否则会获取到不同的对象
Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return InnerSingletonHolder.innerSingleton;
}
}运行结果：
因此，在工作中推荐大家使用静态类部类单例模式，可以有效的防止反射攻击与序列化带来的相关问题
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