设计模式之单例模式

最新推荐文章于 2024-10-23 22:17:36 发布

打磨时光

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分类专栏：设计模式

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本文深入解析单例模式的核心概念及其实现方式，包括饿汉式、懒汉式、双重检测锁、静态内部类和枚举单例等五种常见模式。探讨了每种模式的特点、优缺点以及应用场景，如配置文件管理、计数器、文件系统等。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

单例模式

核心：

保证一个类只有一个实例，并且提供一个访问该实例的全局访问点

常用场景：

1. windows 系统 任务管理器、回收站

2. 网站计数器

3. 配置文件

4. 操作系统的文件系统

5. spring 中的 bean 默认是单例

...

优点:

减少系统开销

常见的五种单例模式

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。但是可以延时加载）
其它
- 双重检测锁式（由于JVM底层内部模型原因，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。可以延时加载）
- 枚举单例（线程安全、调用效率不高。但是可以延时加载，天然防止反射、反序列化漏洞）

问题

反射破解（不包含枚举类）以上几种方式（可以在构造方法中手动抛出异常空值）

1. 饿汉式

/*
 * 饿汉式实现单例模式
 * 
 *  1. 构造方法私有化 
 *  2. 类初始化时，立即加载（希望延时加载，即懒汉式）
 */
public class Singleton {

    // 天然的线程安全，调用效率高。
    private static Singleton singleton = new Singleton();

    private Singleton() {

    }

    public static Singleton getInstance() {
        return singleton;
    }

}

2. 懒汉式

/*
 * 懒汉式 单例模式
 * 
 *  延迟加载，真正用的时候才加载
 */
public class SingletonLazy implements Serializable {

    private static SingletonLazy singleton;

    private SingletonLazy() {
        // 防止反射破解单例模式
        // if (singleton != null) {
        // throw new RuntimeException();
        // }
    }

    // 每次调用都要同步
    // 资源利用率高，并发效率低
    public static synchronized SingletonLazy getInstance() {
        if (singleton == null)
            singleton = new SingletonLazy();
        return singleton;
    }

    // 反序列化时，如果定义了 readResolve 方法则直接返回此方法返回的对象，不需要单独再创建对象
    // private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
    // return singleton;
    // }

}

3. 双重检验锁

/*
 * 双重检测锁模式
 */
public class SingletonLock {

    private static SingletonLock singleton;

    private SingletonLock() {

    }

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

4. 静态内部类

/*
 * 静态内部类实现单例模式
 * 
 *   线程安全并且懒加载
 */
public class SingletonInner {

    private SingletonInner() {

    }

    private static class SingletonInnerClass {
        private static final SingletonInner instance = new SingletonInner();
    }

    public static SingletonInner getInstance() {
        return SingletonInnerClass.instance;
    }
}

5. 枚举类

/*
 * 枚举实现单例
 */
public enum SingletonEnum {

    // 枚举元素，本身就是单例对象，没有懒加载
    INSTANCE;

    public void getInstance() {

    }
}

测试反射、反序列化

/**
 * 测试反射、反序列化破解单例
 * 
 * @author apple
 */
public class Main {

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

        SingletonLazy instance1 = SingletonLazy.getInstance();
        // SingletonLazy instance2 = SingletonLazy.getInstance();
        //
        System.out.println(instance1);
        // System.out.println(instance2);
        //
        // // 通过反射获取私有构造器
        // Class<SingletonLazy> clz = (Class<SingletonLazy>)
        // Class.forName("com.beng.design.singleton.SingletonLazy");
        // Constructor<SingletonLazy> cons = clz.getDeclaredConstructor(null);
        // cons.setAccessible(true);
        // SingletonLazy instance3 = cons.newInstance();
        // SingletonLazy instance4 = cons.newInstance();
        //
        // System.out.println(instance3);
        // System.out.println(instance4);

        // 通过序列化的方式构造多个对象
        // FileOutputStream fos = new FileOutputStream("a.txt");
        // ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
        // oos.writeObject(instance1);
        // oos.close();
        // fos.close();
        // System.out.println("end");

        ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(new FileInputStream("a.txt"));

        SingletonLazy instance = (SingletonLazy) oin.readObject();
        System.out.println(instance);
    }

}

测试单例模式效率

/**
 * 测试创建单例模式 效率
 * 
 * @author apple
 */
public class Test {

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

        long start = System.currentTimeMillis();
        int nthreads = 10;
        final CountDownLatch count = new CountDownLatch(nthreads);

        for (int j = 0; j < nthreads; ++j) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
                        Object obj = SingletonEnum.INSTANCE;
                    }
                    count.countDown();
                }
            }).start();
        }

        long end = System.currentTimeMillis();
        count.await(); // main 线程阻塞，直到count=0
        System.out.println("总耗时：" + (end - start));

    }
}