第五章 单例模式(多方面解析)

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单例模式的介绍
一. 1.1 懒汉模式(线程不安全)
     1.2 懒汉模式(线程安全)
二、DoubleCheck 模式(懒汉式)(线程安全)
三、静态内部类创建方式(懒汉式)
四、饿汉式单例模式(线程安全)
五、序列化和反序列化破坏单例模式及解决方式
六、通过反射破坏单例模式及解决方式
七、枚举类单例模式(推荐用法,既能解决序列化、反序列化,也能解决 反射攻击)
八、容器单例模式
九、基于 ThreadLocal 的“单例模式”
单例模式的介绍

定义:保证一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点。
类型:创建型。
优点:

在内存中只有一个实例,减少了内存开销(尤其是创建和销毁比较麻烦的时候)
可以避免对资源的多重占用
设置全局访问点,严格限制访问

缺点:

没有接口,扩展困难

重点:

私有构造器
线程安全(非常重要)
延迟加载
序列化和反序列化安全(破坏单例模式)
反射(防止反射攻击)

对比:

单例模式--工厂模式
单例模式--享元模式



一.懒汉模式

1.1 懒汉模式Demo(线程不安全):

/**
 * @program: adpn-pattern->LazySingleton
 * @description: 懒汉式
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-22 09:01
 **/
public class LazySingleton {
    private static LazySingleton lazySingleton =null;
    //私有构造器
    private LazySingleton(){}
    public  static LazySingleton getInstance(){
        if(lazySingleton == null){
            lazySingleton = new LazySingleton();
        }
        return lazySingleton;
    }
}

/**
 * @program: adpn-pattern->LazyThread
 * @description: 多线程
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-22 09:04
 **/
public class LazyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+lazySingleton);
    }
}
/**
 * @program: adpn-pattern->Test
 * @description: 测试类
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-22 09:08
 **/
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        LazyThread lazyThread1 = new LazyThread();
        LazyThread lazyThread2 = new LazyThread();
        lazyThread1.start();
        lazyThread2.start();

        System.out.println("test over");
    }
}

执行结果:
在这里插入图片描述
常规模式下,可能不容易看出执行结果是否存在线程安全,我们用多线程的Debug方式来看一下,
首先我们让两个线程都进入 单例模式:
在这里插入图片描述
这时Thread0 获取的 lazySingleton 是 552,
在这里插入图片描述

这时Thread1 获取的 lazySingleton 是 564,
在这里插入图片描述
从Control ,看两个线程获取的 singleton ,也不是一个实例。
在这里插入图片描述
可见,这种模式下,获取的 单例模式是非线程安全的。



1.2 下面我们来改造成线程安全的 懒汉模式:

在这里插入图片描述
我们只在 获取单例模式的getInstance()方法上,添加了 synchronized 关键字,添加后,因方法上有 static 关键字,所以这种同步方法锁住的是整个类。
然后我们再来Debug一下:
在这里插入图片描述
我们可以看出,当一个线程获取锁以后,另一个线程是 处于监视 Monitor 状态。
当Thread0 释放锁后,Thread1获取锁并执行程序。

在这里插入图片描述
因Thread0已经创建实例,所以Thread1,直接取 lazySingleton。
在这里插入图片描述
最后Control 两个线程返回的实例是同一个。
在这里插入图片描述



二、DoubleCheck 模式 (懒汉式)

上代码,其实主要是在单例模式上做了双重检验:

/**
 * @program: adpn-pattern->DoubleCheckSingleton
 * @description: doublecheck单例模式
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-22 11:42
 **/
public class DoubleCheckSingleton {
    // volatile 防止  DoubleCheckSingleton 创建的时候 重排序
    private static volatile DoubleCheckSingleton doubleCheckSingleton=null;
    private DoubleCheckSingleton(){  }

    public static DoubleCheckSingleton getInstance(){
        if(doubleCheckSingleton==null){
            synchronized (DoubleCheckSingleton.class){
                if(doubleCheckSingleton==null){
                    /** 这里的new 操作执行了以下3个步骤:
                     * 1、分配内存给这个对象
                     * 2、初始化对象
                     * 3、设置 doubleCheckSingleton 指向 新分配的内存地址
                     * 存在的问题:
                     * 有可能会有重排序 的 现象,创建顺序就变成了 1/3/2
                     **/
                    doubleCheckSingleton = new DoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        return doubleCheckSingleton;
    }
}

有的小伙伴可能会问, doubleCheckSingleton 为什么要设置成 volatile 类型,因为创建对象有可能存在重排序的问题,上述代码已提示,多线程情况下,有可能因为重排序而导致程序报错。
在这里插入图片描述
所以在 doubleCheckSingleton 加上volatile 使 多线程情况下,禁止 创建 doubleCheckSingleton 时候重排序。volatile 修饰的变量会存入系统/共享内存,会使其它cpu缓存该变量的地址无效,无效后,其它cpu缓存又会从共享内存同步数据,多线程情况下都是可见的,

// 多线程模式创建 DoubleCheckSingleton 
public class DoubleCheckThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        DoubleCheckSingleton doubleCheckSingleton = DoubleCheckSingleton.getInstance();
        System.out.println(doubleCheckSingleton);
    }
}
//测试类
public class DoubleCheckTest {
    public static void main(String[] args) {
        DoubleCheckThread doubleCheckThread1 = new DoubleCheckThread();
        DoubleCheckThread doubleCheckThread2 = new DoubleCheckThread();
        doubleCheckThread1.start();
        doubleCheckThread2.start();

        System.out.println("test over");
    }
}

现在我们让两个线程同时进入, if(doubleCheckSingleton==null){} 内,
在这里插入图片描述

当Thread1 释放锁后,Thread0 获取锁:
在这里插入图片描述

我们来看执行结果:
在这里插入图片描述
结果:两个线程获取的是同一个对象,DoubleCheck 此模式是线程安全的。



三、静态内部类创建方式(懒汉式)

上述的DoubleCheck 方式主要是使用,控制创建类时,禁止重排序,来实现创建单例模式时,实现的线程安全。
下面我们来用另一种方式,来解决重排序的问题,思想是:即使有重排序问题,但是我们使 会产生重排序的类,对其它线程不可见。

下面我们来coding,来演示:

/**
 * @program: adpn-pattern->StaticInnerClassSingleton
 * @description: 单例静态内部类
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 09:59
 **/
public class StaticInnerClassSingleton {
    // 防止被 new,构造器必须设成 私有属性
    private  StaticInnerClassSingleton(){}
    /**
     **静态内部类:jvm在创建静态内部类的时候,会给类加锁,这样其它线程就无法看到静态内部类 创建过程
     * 在本例中:在创建 InnerClass 时,InnerClass 内 StaticInnerClassSingleton 的创建 不会被其它线程看到,
     *      即使创建 StaticInnerClassSingleton 有重排序的问题,StaticInnerClassSingleton 对其它线程来说也是一个完整的过程
     *      所以这种创建方式是线程安全的
     **/
    private static class InnerClass{
        private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton();
    }
    public static StaticInnerClassSingleton getInstance(){
        // 此处会创建静态内部类 InnerClass
        return InnerClass.staticInnerClassSingleton;
  
//多线程获取单例对象
public class StaticInnerThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        //
        StaticInnerClassSingleton instance = StaticInnerClassSingleton.getInstance();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  "+instance);
    }
}
//测试类
public class StaticInnerTest {
    public static void main(String[] args) {
        StaticInnerThread staticInnerThread = new StaticInnerThread();
        Thread t1 = new Thread(staticInnerThread);
        Thread t2 = new Thread(staticInnerThread);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

如上述代码,StaticInnerClassSingleton 使用静态内部类实现线程安全,已在 StaticInnerClassSingleton 类中做说明,我们来看一下运行结果:
在这里插入图片描述
此种方式创建的是一个实例。



四、饿汉式单例模式(线程安全)
/**
 * @program: adpn-pattern->HungrySinglon
 * @description: 饿汉式单例模式
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 11:12
 **/
public class HungrySinglon {
    private final static HungrySinglon hungrySinglon=new HungrySinglon();
    private HungrySinglon(){ }
    public HungrySinglon getInstance(){
        return hungrySinglon;
    }
}

说明:饿汉式单例模式在类初始化的时候就创建好了,所以在调用的时候是线程安全的。

经过测试,结果是同一个对象:
在这里插入图片描述



五、序列化和反序列化破坏单例模式及解决方式

本次测试我们使用了 静态内部类的创建方式测试:

/**
 * @program: adpn-pattern->SerializeDestroyTest
 * @description: 序列化和反序列化方式破坏单例模式
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 11:41
 **/
public class SerializeDestroyTest implements Serializable {
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        StaticInnerClassSingleton instance = StaticInnerClassSingleton.getInstance();
        ObjectOutputStream outputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("staticInner_singleton"));
        // 将StaticInnerClassSingleton 写出去
        outputStream.writeObject(instance);

        File file=new File("staticInner_singleton");
        ObjectInputStream inputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        // 将StaticInnerClassSingleton 重新读进来
        StaticInnerClassSingleton newInstance = (StaticInnerClassSingleton) inputStream.readObject();
        //看两个对象是否是同一个
        System.out.println("原对象 instance:"+instance);
        System.out.println("新对象 newInstance:"+newInstance);
    }
}

来看测试结果:
在这里插入图片描述
可以看出,序列化前后两个类不是同一个。序列化和反序列化破坏了 单例类的问题。
我们来看一下,为什么,序列化破坏了单例模式,
按图示方向进入:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
因为类 序列化实现了 serializable,所以 desc.isInstantiable() 返回的true

在这里插入图片描述
在这里 obj 被赋值的是 反射的一个新类,所以,序列化后单例模式 得到了两个不同的实例。

那我们有办法来解决这个问题吗,答案是有的:
我们只需在单例类加入readResolve()方法即可,如图:
在这里插入图片描述
加入readResolve()方法,我们来看执行结果:
在这里插入图片描述
两个线程获取的是同一个对象,神奇不神奇。那为什么 inputStream.readObject() 时,实现内 desc.newInstance() 新建了实例,返回的两个对象相同。
其实是因为,我们单例类加入了 readResolve()方法 ,被 inputStream.readObject() 实现内调用执行,虽然内部 newInstance() ,但最后返回的是 return InnerClass.staticInnerClassSingleton; 所以还是一个实例。

具体可看:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
到这里就一目了然了,实现里 因单例类 实现了serializable,所以执行了 readResolve()方法,将 方法内的InnerClass.staticInnerClassSingleton 返回,还是原实例。



六、通过反射破坏单例模式及解决方式

6.1、首先 我们来用最近的饿汉模式来演示

/**
 * @program: adpn-pattern->DeclareInstance
 * @description: 通过反射破坏单例对象
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 16:10
 **/
public class DeclareInstance {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
        HungrySinglon instance = HungrySinglon.getInstance();

        Class<HungrySinglon> hungrySinglonClass = HungrySinglon.class;
        Constructor c = hungrySinglonClass.getDeclaredConstructor();
        c.setAccessible(true);
        HungrySinglon newInstance= (HungrySinglon) c.newInstance();

        System.out.println("正常获取单例对象:"+instance);
        System.out.println("反射获取单例对象:"+ newInstance);
        System.out.println(instance==newInstance);
    }
}

结果: 不是同一个实例对象
在这里插入图片描述
那我们来解决:就是在HungrySinglon 的私有构造器中加条件判断,如果这个实例已经被创建了,不不允许调用私有构造器。
改造如下:

/**
 * @program: adpn-pattern->HungrySinglon
 * @description: 饿汉式单例模式
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 11:12
 **/
public class HungrySinglon implements Serializable {
    private final static HungrySinglon hungrySinglon=new HungrySinglon();
    private HungrySinglon(){
        if(hungrySinglon!=null){
            throw new RuntimeException("不允许使用私有构造器创建对象");
        }
    }
    public static HungrySinglon getInstance(){
        return hungrySinglon;
    }
    public Object  readResolve(){
        return hungrySinglon;
    }
}

不论正常获取单例先执行还是后执行,都是 不允许使用私有构造器创建对象,因为类加载的时候,HungrySinglon 实例已经创建了。
在这里插入图片描述

6.2 匿名内部类方式的解决方式和 饿汉模式相同,因为在类初始化的时候已经创建了类实例,在这里就不演示了,读者可以自行尝试一下

6.3、懒汉模式
懒汉模式是无法解决反射攻击的,因为,类加载的时候,没有被实例化,不论在私有构造器加如何复杂的判断还是加全局属性作为 Flag 做标记判断,都是可以被反射获取并更改属性的,所以不存在解决的问题。如果在懒汉模式有解决 反射攻击的方法,你可以告诉小编呀,,



七、枚举类单例模式(推荐用法,既能解决序列化、反序列化,也能解决 反射攻击)
/**
 * @program: adpn-pattern->EnumInstance
 * @description: 枚举类单例模式
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 17:22
 **/
public enum  EnumInstance {
    INSTANCE;
    public Object data;
    public Object getData() {
        return data;
    }
    public void setData(Object data) {
        this.data = data;
    }
    public EnumInstance getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

写个序列化测试类:

/**
 * @program: adpn-pattern->EnumTest
 * @description: 枚举类单例测试
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 17:39
 **/
public class EnumTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        //测试序列化和反序列化
        EnumInstance instance = EnumInstance.INSTANCE;
        instance.setData(new Object());
        ObjectOutputStream outputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("enum_singleton"));
        // 将 EnumInstance 写出去
        outputStream.writeObject(instance);
        File file=new File("enum_singleton");
        ObjectInputStream inputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        // 将 EnumInstance 重新读进来
        EnumInstance newInstance = (EnumInstance) inputStream.readObject();
        //看两个对象是否是同一个
        System.out.println("   原对象 instance:"+ instance);
        System.out.println("新对象 newInstance:"+newInstance);
        System.out.println("   原对象 instance data:"+ instance.getData());
        System.out.println("新对象 newInstance data:"+newInstance.getData());
    }
}

来看执行结果:
在这里插入图片描述
序列化和反序列对 枚举单例模式没影响。
再来看反射对枚举单例模式的影响:

运行测试类时,报 NoSuchMethodException,execuse me ??
在这里插入图片描述
那我们反编译来看一下,生成的 EnumInstance.class,我在反编译的结果上加了注释:

package com.jstar.adpnpattern.design.factory.creation.singleton;

public final class EnumInstance extends Enum
{

    public static EnumInstance[] values()
    {
        return (EnumInstance[])$VALUES.clone();
    }

    public static EnumInstance valueOf(String name)
    {
        return (EnumInstance)Enum.valueOf(com/jstar/adpnpattern/design/factory/creation/singleton/EnumInstance, name);
    }
    // 只有一个构造器,且是有参的,那我们待会反射的时候就传 two 个参数,嗯
    private EnumInstance(String s, int i)
    {
        super(s, i);
    }

    public Object getData()
    {
        return data;
    }

    public void setData(Object data)
    {
        this.data = data;
    }

    public EnumInstance getInstance()
    {
        return INSTANCE;
    }
    // EnumInstance 已声明为 static final 类型
    public static final EnumInstance INSTANCE;
    public Object data;
    private static final EnumInstance $VALUES[];
    // 构造代码块,类初始化的时候即执行,类似饿汉式
    static 
    {
        INSTANCE = new EnumInstance("INSTANCE", 0);
        $VALUES = (new EnumInstance[] {
            INSTANCE
        });
    }
}

构造器传参,运行之后,返回 IllegalArgumentException ,小编是没办法了。
看来反射也没破坏枚举的单例模式。

在这里插入图片描述

另外,我们在 INSTANCE 中添加以下代码,反编译看class文件到底做了什么:
在这里插入图片描述
反编译后:
在这里插入图片描述
INSTANCE 中的testPrint() 在类初始化时即构建了。



八、容器单例模式

介绍:容器类单例模式就是把多种单例模式放到同一个容器中,统一管理。
下面我们用代码来演示:

/**
 * @program: adpn-pattern->ContainerSingleton
 * @description: 容器单例类
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 20:36
 **/
public class ContainerSingleton {
    private ContainerSingleton(){ }
    private static Map<String,Object> singletonMap=new HashMap<String,Object>();
    public static void putInstance(String key,Object value){
        if(StringUtils.isNotBlank(key) && value!=null){
            if(!singletonMap.containsKey(key)){
                singletonMap.put(key, value);
            }
        }
    }
    public static Object getInstance(String key){
        return singletonMap.get(key);
    }
}
/**
 * @program: adpn-pattern->ContainerThread
 * @description: 线程类
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 20:42
 **/
public class ContainerThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        ContainerSingleton.putInstance("key",new Object());
        Object obj= ContainerSingleton.getInstance("key");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  "+obj);
    }
}

/**
 * @program: adpn-pattern->ContainerTest
 * @description: 测试类
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 20:45
 **/
public class ContainerTest {
    public static void main(String[] args) {
        ContainerThread containerThread = new ContainerThread();
        Thread t1 = new Thread(containerThread);
        Thread t2 = new Thread(containerThread);
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println("test over");
    }
}

我们用Debug 模式来看一下,这种模式是否是线程安全的。

Thread0 现在地址值 是 553
在这里插入图片描述
切换到 Thread1,Thread1的地址值是 557
在这里插入图片描述
至少从目前来看,容器单例模式使用的不是一个对象。最后我们来看执行结果。
在这里插入图片描述
从执行结果来看,容器类单例模式确实不是线程安全的。那我们可以改造一下。
把 容器 HashMap 换成 Hashtable。 我们再按刚才的方式测试一下。
Thread0 :
在这里插入图片描述
Thread1:
在这里插入图片描述
我们来看最后的执行结果:

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
由此可见,此种方式,即使 Hashtable 的containsKey() 和 put() 方法都被 synchronized 修饰了,但在执行put()方法时,containsKey 此时的锁已经释放,导致 put 了两个对象。

所以,小编认为,容器类单例模式也是非线程安全的,我们要根据实际业务中的场景使用单例模式。
可以选择 HashMap、ConcurrentHashMap,不建议使用 Hashtable 。



九、基于 ThreadLocal 的“单例模式”

上代码

/**
 * @program: adpn-pattern->ThreadLocalSingleton
 * @description: 基于ThreadLocal单例模式
 * @author: Jstar
 * @create: 2019-11-23 21:33
 **/
public class ThreadLocalSingleton {
    private ThreadLocalSingleton() {
    }
   private static ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocalSingleton=new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>(){
        @Override
        protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
            return new ThreadLocalSingleton();
        }
    };
    public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
        return threadLocalSingleton.get();
    }
}
//多线程
public class ThreadLocalThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        ThreadLocalSingleton instance = ThreadLocalSingleton.getInstance();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  "+instance);
    }
}
//测试类
public class ThreadLocalTest {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocalThread threadLocalThread = new ThreadLocalThread();
        Thread t1 = new Thread(threadLocalThread);
        Thread t2 = new Thread(threadLocalThread);
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println("主线程创建的单例对象为:"+ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println("主线程创建的单例对象为:"+ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println("主线程创建的单例对象为:"+ThreadLocalSingleton.getInstance());
        System.out.println("test over");
    }
}

我们直接来看运行结果吧
在这里插入图片描述
我们可以看出 主线程创建的都是一个对象,每个线程创建的单例对象都不同。其实,这主要是基于 ThreadLocal 对象,ThreadLocal 会把每个线程隔离开来,每个线程各自创建一类对象,互不影响,这是一种以空间换时间的做法。

好了,单例模式,我们暂时就讲这么多了,多谢大家看到这,希望大家还是多总结,好记性不如烂笔头。实际业务中应用哪种单例模式,还需要理解每一种应用,使用相应的创建单例的方式。

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