java設(shè)計(jì)模式之怎么實(shí)現(xiàn)單例模式

這篇文章主要介紹了java設(shè)計(jì)模式之怎么實(shí)現(xiàn)單例模式的相關(guān)知識(shí)，內(nèi)容詳細(xì)易懂，操作簡(jiǎn)單快捷，具有一定借鑒價(jià)值，相信大家閱讀完這篇java設(shè)計(jì)模式之怎么實(shí)現(xiàn)單例模式文章都會(huì)有所收獲，下面我們一起來(lái)看看吧。

單元素的枚舉類型經(jīng)常成為實(shí)現(xiàn) Singleton 的最佳方法 。

什么是單例？就一條基本原則，單例對(duì)象的類只會(huì)被初始化一次。在 Java 中，我們可以說(shuō)在 JVM 中只存在該類的唯一一個(gè)對(duì)象實(shí)例。在 Android 中，我們可以說(shuō)在程序運(yùn)行期間，該類有且僅有一個(gè)對(duì)象實(shí)例。

單例模式的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)步驟：

• 構(gòu)造方法私有，保證無(wú)法從外部通過(guò) new 的方式創(chuàng)建對(duì)象。

• 對(duì)外提供獲取該類實(shí)例的靜態(tài)方法。

• 類的內(nèi)部創(chuàng)建該類的對(duì)象，通過(guò)第 2 步的靜態(tài)方法返回。

按照上述步驟寫下你認(rèn)為比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯卫Ｊ?，然后看看你所寫下的單例能否滿足以下條件：

• 你的單例按需加載嗎？

• 你的單例線程安全嗎?涉及到并發(fā)三要素：原子性、可見(jiàn)性、有序性

• 你的單例暴力反射和序列化安全嗎？

一、餓漢式

//JAVA實(shí)現(xiàn)public class SingleTon {    //第三步創(chuàng)建唯一實(shí)例
    private static SingleTon instance = new SingleTon();    
    //第一步構(gòu)造方法私有
    private SingleTon() {
    }    
    //第二步暴露靜態(tài)方法返回唯一實(shí)例
    public static SingleTon getInstance() {        return instance;
    } 
}//Kotlin實(shí)現(xiàn)object SingleTon

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 ，解決了多線程實(shí)例化的問(wèn)題。

缺點(diǎn)：在虛擬機(jī)加載SingleTon類的時(shí)候，將會(huì)在初始化階段為類靜態(tài)變量賦值，也就是在虛擬機(jī)加載該類的時(shí)候（此時(shí)可能并沒(méi)有調(diào)用 getInstance 方法）就已經(jīng)調(diào)用了 new SingleTon(); 創(chuàng)建了該對(duì)象的實(shí)例，之后不管這個(gè)實(shí)例對(duì)象用不用，都會(huì)占據(jù)內(nèi)存空間。

二、懶漢式

//JAVA實(shí)現(xiàn)public class SingleTon {    //創(chuàng)建唯一實(shí)例
    private static SingleTon instance = null;    
    private SingleTon() {
    }    
    public static SingleTon getInstance() {        //延遲初始化 在第一次調(diào)用 getInstance 的時(shí)候創(chuàng)建對(duì)象
        if (instance == null) {
            instance = new SingleTon();
        }        return instance;
    } 
}//Kotlin實(shí)現(xiàn)class SingleTon private constructor() {    companion object {        private var instance: SingleTon? = null
            get() {                if (field == null) {
                    field = SingleTon()
                }                return field
            }        fun get(): SingleTon{            return instance!!
        }
    }
}

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)也是比較簡(jiǎn)單的，和餓漢式不同，當(dāng)這個(gè)Singleton被加載的時(shí)候，被static修飾的靜態(tài)變量將會(huì)被初始化為null，這個(gè)時(shí)候并不會(huì)占用內(nèi)存，而是當(dāng)?shù)谝淮握{(diào)用getInstance方法的時(shí)候才會(huì)被初始化實(shí)例對(duì)象，按需創(chuàng)建。

缺點(diǎn)：在單線程環(huán)境下是沒(méi)有問(wèn)題的，在多線程環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生線程安全問(wèn)題。在有兩個(gè)線程同時(shí) 運(yùn)行到了 instane == null這個(gè)語(yǔ)句，并且都通過(guò)了，那他們就會(huì)都各自實(shí)例化一個(gè)對(duì)象，這樣就又不是單例了。

如何解決懶漢式在多線程環(huán)境下的多實(shí)例問(wèn)題？

• 靜態(tài)內(nèi)部類

  
  

  //JAVA實(shí)現(xiàn)public class SingleTon {    
      private static class InnerSingleton{        private static SingleTon singleTon  = new SingleTon();
      }    public SingleTon getInstance(){        return InnerSingleton.singleTon;
      }    
      private SingleTon() {
      }
  }//kotlin實(shí)現(xiàn)class SingleTon private constructor() {
      companion object {        val instance = InnerSingleton.instance
      }    private object InnerSingleton {        val instance = SingleTon()
      }
  }

• 直接同步方法

  
  

  //JAVA實(shí)現(xiàn)public class SingleTon {    //創(chuàng)建唯一實(shí)例
      private static SingleTon instance = null;    
      private SingleTon() {
      }    
      public static synchronized SingleTon getInstance() {        if (instance == null) {
              instance = new SingleTon();
          }        return instance;
      } 
  }//Kotlin實(shí)現(xiàn)class SingleTon private constructor() {  companion object {      private var instance: SingleTon? = null
            get() {              if (field == null) {
                    field = SingleTon()
                }              return field
            }      @Synchronized
        fun get(): SingleTon{          return instance!!
        }
    }
  }

• 優(yōu)點(diǎn)：加鎖只有一個(gè)線程能實(shí)例該對(duì)象，解決了線程安全問(wèn)題。

  缺點(diǎn)：對(duì)于靜態(tài)方法而言，synchronized關(guān)鍵字會(huì)鎖住整個(gè) Class，每次調(diào)用getInstance方法都會(huì)線程同步，效率十分低下，而且當(dāng)創(chuàng)建好實(shí)例對(duì)象之后，也就不必繼續(xù)進(jìn)行同步了。

  備注：此處的synchronized保證了操作的原子性和內(nèi)存可見(jiàn)性。

• 同步代碼塊（雙重檢鎖方式DCL）

  
  

  //JAVA實(shí)現(xiàn) public class SingleTon {    //創(chuàng)建唯一實(shí)例
      private static volatile SingleTon instance = null;    
      private SingleTon() {
      }    
      public static SingleTon getInstance() {        if (instance == null) {
              synchronized (SingleTon.class) {   
                  if (instance == null) {
                      instance = new SingleTon();
                  }
              }
          }        return instance;
      } 
  }//kotlin實(shí)現(xiàn)class SingleTon private constructor() {    companion object {        val instance: SingleTon by lazy(mode = LazyThreadSafetyMode.SYNCHRONIZED) {
              SingleTon() 
          }
    }
  }
  或者class SingleTon private constructor() {    companion object {        @Volatile private var instance: SingleTon? = null
          fun getInstance() =
                instance ?: synchronized(this) {
                    instance ?: SingleTon().also { instance = it }
                }
    }
  }

• 優(yōu)點(diǎn)：添加了一個(gè)同步代碼塊，在同步代碼塊中去判斷實(shí)例對(duì)象是否存在，如果不存在則去創(chuàng)建，這個(gè)時(shí)候其實(shí)就完全可以解決問(wèn)題了，因?yàn)殡m然是多個(gè)線程去獲取實(shí)例對(duì)象，但是在同一個(gè)時(shí)間也只會(huì)有一個(gè)線程會(huì)進(jìn)入到同步代碼塊，那么這個(gè)時(shí)候創(chuàng)建好對(duì)象之后，其他線程即便再次進(jìn)入同步代碼塊，由于已經(jīng)創(chuàng)建好了實(shí)例對(duì)象，便直接返回即可。但是為什么還要在同步代碼塊的上一步再次去判斷instance為空呢？這個(gè)是由于當(dāng)我們創(chuàng)建好實(shí)例對(duì)象之后，直接去判斷此實(shí)例對(duì)象是否為空，如果不為空，則直接返回就好了，就避免再次進(jìn)去同步代碼塊了，提高了性能。

  缺點(diǎn)：無(wú)法避免暴力反射創(chuàng)建對(duì)象。

  備注：此處的volatile發(fā)揮了內(nèi)存可見(jiàn)性及防止指令重排序作用。

三、枚舉實(shí)現(xiàn)單例

public enum SingletonEnum {    INSTANCE;    public static void main(String[] args) {        System.out.println(SingletonEnum.INSTANCE == SingletonEnum.INSTANCE);
    }
}

枚舉實(shí)現(xiàn)單例是最為推薦的一種方法，因?yàn)榫退阃ㄟ^(guò)序列化，反射等也沒(méi)辦法破壞單例性。(關(guān)于Android使用枚舉會(huì)產(chǎn)生性能問(wèn)題的說(shuō)法，這應(yīng)該是Android 2.x系統(tǒng)之前內(nèi)存緊張的時(shí)代了，現(xiàn)在已經(jīng)Android 13了，相信某些場(chǎng)合枚舉所帶來(lái)的便利遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這點(diǎn)所謂的性能影響)

四、如何避免單例模式反射攻擊

以最初的DCL為測(cè)試案例，看看如何進(jìn)行反射攻擊及又如何在一定程度上避免反射攻擊。反射攻擊代碼如下：

 public static void main(String[] args) {

     SingleTon singleton1 = SingleTon.getInstance();
     SingleTon singleton2 = null;

     try {
         Class<SingleTon> clazz = SingleTon.class;
         Constructor<SingleTon> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
         constructor.setAccessible(true);
         singleton2 = constructor.newInstance();
     } catch (Exception e) {
         e.printStackTrace();
     }

     System.out.println("singleton1.hashCode():" + singleton1.hashCode());
     System.out.println("singleton2.hashCode():" + singleton2.hashCode());
 }

執(zhí)行結(jié)果：

 singleton1.hashCode():1296064247
 singleton2.hashCode():1637070917

通過(guò)執(zhí)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)反射破壞了單例。 如何保證反射安全呢？只能以暴制暴，當(dāng)已經(jīng)存在實(shí)例的時(shí)候再去調(diào)用構(gòu)造函數(shù)直接拋出異常，對(duì)構(gòu)造函數(shù)做如下修改：

  public class SingleTon {     //創(chuàng)建唯一實(shí)例
     private static volatile SingleTon instance = null;   
     private SingleTon() {         if (instance != null) {             throw new RuntimeException("單例構(gòu)造器禁止反射調(diào)用");
         }
     }   
     public static SingleTon getInstance() {         if (instance == null) {
           synchronized (SingleTon.class) {   
               if (instance == null) {
                   instance = new SingleTon();
               }
           }
       }       return instance;
     } 
 }

此時(shí)可防御反射攻擊,拋出異常如下：

 java.lang.reflect.InvocationTargetException
 at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method)
 at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(NativeConstructorAccessorImpl.java:62)
 at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45)
 at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:423)
 at com.imock.demo.TestUtil.testSingleInstance(TestUtil.java:45)
 at com.imock.demo.TestUtil.main(TestUtil.java:33)
 Caused by: java.lang.RuntimeException: 單例構(gòu)造器禁止反射調(diào)用
 at com.imock.demo.SingleTon.<init>(SingleTon.java:16)
 ... 6 more Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
 at com.imock.demo.TestUtil.testSingleInstance(TestUtil.java:49)
 at com.imock.demo.TestUtil.main(TestUtil.java:33) 
 Process finished with exit code 1

然后我們把上述測(cè)試代碼修改如下（調(diào)換了singleton1的初始化順序）：

 public static void main(String[] args) {
     SingleTon singleton2 = null;

     try {
         Class<SingleTon> clazz = SingleTon.class;
         Constructor<SingleTon> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
         constructor.setAccessible(true);
         singleton2 = constructor.newInstance();
     } catch (Exception e) {
         e.printStackTrace();
     }

     System.out.println("singleton2.hashCode():" + singleton2.hashCode());

     SingleTon singleton1 = SingleTon.getInstance(); //調(diào)換了位置，在反射之后執(zhí)行
     System.out.println("singleton1.hashCode():" + singleton1.hashCode());
 }

執(zhí)行結(jié)果：

 singleton2.hashCode():1296064247
 singleton1.hashCode():1637070917

發(fā)現(xiàn)此防御未起到作用。

缺點(diǎn)：

• 如果反射攻擊發(fā)生在正常調(diào)用getInstance之前，每次反射攻擊都可以獲取單例類的一個(gè)實(shí)例，因?yàn)榧词顾接袠?gòu)造器中使用了靜態(tài)成員（instance） ，但單例對(duì)象并沒(méi)有在類的初始化階段被實(shí)例化，所以防御代碼不生效，從而可以通過(guò)構(gòu)造器的反射調(diào)用創(chuàng)建單例類的多個(gè)實(shí)例；

• 如果反射攻擊發(fā)生在正常調(diào)用之后，防御代碼是可以生效的；

如何避免序列化攻擊？只需要修改反序列化的邏輯就可以了，即重寫 readResolve() 方法，使其返回統(tǒng)一實(shí)例。

   protected Object readResolve() {       return getInstance();
   }

脆弱不堪的單例模式經(jīng)過(guò)重重考驗(yàn)，進(jìn)化成了完全體，延遲加載，線程安全，反射及序列化安全。簡(jiǎn)易代碼如下：

• 餓漢模式

  
  

  public class SingleTon {    private static SingleTon instance = new SingleTon();    
      private SingleTon() {        if (instance != null) {              throw new RuntimeException("單例構(gòu)造器禁止反射調(diào)用");
           }
      }    public static SingleTon getInstance() {        return instance;
      } 
  }

• 靜態(tài)內(nèi)部類

  
  

  public class SingleTon {    
      private static class InnerStaticClass{        private static SingleTon singleTon  = new SingleTon();
      }    public SingleTon getInstance(){        return InnerStaticClass.singleTon;
      }    
      private SingleTon() {       if (InnerStaticClass.singleTon != null) {           throw new RuntimeException("單例構(gòu)造器禁止反射調(diào)用");
         }
      }
  }

• 懶漢模式

  
  

  public class SingleTon {    //創(chuàng)建唯一實(shí)例
      private static SingleTon instance = null;    
      private SingleTon() {        if (instance != null) {              throw new RuntimeException("單例構(gòu)造器禁止反射調(diào)用");
          }
      }    
      public static SingleTon getInstance() {        //延遲初始化 在第一次調(diào)用 getInstance 的時(shí)候創(chuàng)建對(duì)象
          if (instance == null) {
              instance = new SingleTon();
          }        return instance;
      } 
  }

• 缺點(diǎn)：

• 如果反射攻擊發(fā)生在正常調(diào)用getInstance之前，每次反射攻擊都可以獲取單例類的一個(gè)實(shí)例，因?yàn)榧词顾接袠?gòu)造器中使用了靜態(tài)成員（instance） ，但單例對(duì)象并沒(méi)有在類的初始化階段被實(shí)例化，所以防御代碼不生效，從而可以通過(guò)構(gòu)造器的反射調(diào)用創(chuàng)建單例類的多個(gè)實(shí)例；

• 如果反射攻擊發(fā)生在正常調(diào)用之后，防御代碼是可以生效的。

（枚舉實(shí)現(xiàn)單例是最為推薦的一種方法，因?yàn)榫退阃ㄟ^(guò)序列化，反射等也沒(méi)辦法破壞單例性,底層實(shí)現(xiàn)比如newInstance方法內(nèi)部判斷枚舉拋異常）

Java可以用來(lái)干什么

Java主要應(yīng)用于：1. web開(kāi)發(fā)；2. Android開(kāi)發(fā)；3. 客戶端開(kāi)發(fā)；4. 網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)；5. 企業(yè)級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)；6. Java大數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)；7.游戲開(kāi)發(fā)等。

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