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一起来分析java设计模式之单例

WBOY转载: 2022-11-07 16:56:261004浏览

本篇文章给大家带来了关于java的相关知识，其中主要介绍了关于设计模式中单例模式的相关内容，单例就一条基本原则是单例对象的类只会被初始化一次，下面一起来看一下，希望对大家有帮助。

一起来分析java设计模式之单例

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单元素的枚举类型经常成为实现 Singleton 的最佳方法。

什么是单例？就一条基本原则，单例对象的类只会被初始化一次。在 Java 中，我们可以说在 JVM 中只存在该类的唯一一个对象实例。在 Android 中，我们可以说在程序运行期间，该类有且仅有一个对象实例。

单例模式的简单实现步骤：

构造方法私有，保证无法从外部通过 new 的方式创建对象。
对外提供获取该类实例的静态方法。
类的内部创建该类的对象，通过第 2 步的静态方法返回。

按照上述步骤写下你认为比较严谨的单例模式，然后看看你所写下的单例能否满足以下条件：

你的单例按需加载吗？
你的单例线程安全吗?涉及到并发三要素：原子性、可见性、有序性
你的单例暴力反射和序列化安全吗？

一、饿汉式

//JAVA实现public class SingleTon {    //第三步创建唯一实例
    private static SingleTon instance = new SingleTon();    
    //第一步构造方法私有
    private SingleTon() {
    }    
    //第二步暴露静态方法返回唯一实例
    public static SingleTon getInstance() {        return instance;
    } 
}//Kotlin实现object SingleTon

优点：设计简单，解决了多线程实例化的问题。

缺点：在虚拟机加载SingleTon类的时候，将会在初始化阶段为类静态变量赋值，也就是在虚拟机加载该类的时候（此时可能并没有调用 getInstance 方法）就已经调用了 new SingleTon(); 创建了该对象的实例，之后不管这个实例对象用不用，都会占据内存空间。

二、懒汉式

//JAVA实现public class SingleTon {    //创建唯一实例
    private static SingleTon instance = null;    
    private SingleTon() {
    }    
    public static SingleTon getInstance() {        //延迟初始化 在第一次调用 getInstance 的时候创建对象
        if (instance == null) {
            instance = new SingleTon();
        }        return instance;
    } 
}//Kotlin实现class SingleTon private constructor() {    companion object {        private var instance: SingleTon? = null
            get() {                if (field == null) {
                    field = SingleTon()
                }                return field
            }        fun get(): SingleTon{            return instance!!
        }
    }
}

优点：设计也是比较简单的，和饿汉式不同，当这个Singleton被加载的时候，被static修饰的静态变量将会被初始化为null，这个时候并不会占用内存，而是当第一次调用getInstance方法的时候才会被初始化实例对象，按需创建。

缺点：在单线程环境下是没有问题的，在多线程环境下，会产生线程安全问题。在有两个线程同时运行到了 instane == null这个语句，并且都通过了，那他们就会都各自实例化一个对象，这样就又不是单例了。

如何解决懒汉式在多线程环境下的多实例问题？

静态内部类

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

直接同步方法

//JAVA实现public class SingleTon {    //创建唯一实例
    private static SingleTon instance = null;    
    private SingleTon() {
    }    
    public static synchronized SingleTon getInstance() {        if (instance == null) {
            instance = new SingleTon();
        }        return instance;
    } 
}//Kotlin实现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!!
      }
  }
}

优点：加锁只有一个线程能实例该对象，解决了线程安全问题。

缺点：对于静态方法而言，synchronized关键字会锁住整个 Class，每次调用getInstance方法都会线程同步，效率十分低下，而且当创建好实例对象之后，也就不必继续进行同步了。

备注：此处的synchronized保证了操作的原子性和内存可见性。

同步代码块（双重检锁方式DCL）

//JAVA实现 public class SingleTon {    //创建唯一实例
    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实现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 }
              }
  }
}

优点：添加了一个同步代码块，在同步代码块中去判断实例对象是否存在，如果不存在则去创建，这个时候其实就完全可以解决问题了，因为虽然是多个线程去获取实例对象，但是在同一个时间也只会有一个线程会进入到同步代码块，那么这个时候创建好对象之后，其他线程即便再次进入同步代码块，由于已经创建好了实例对象，便直接返回即可。但是为什么还要在同步代码块的上一步再次去判断instance为空呢？这个是由于当我们创建好实例对象之后，直接去判断此实例对象是否为空，如果不为空，则直接返回就好了，就避免再次进去同步代码块了，提高了性能。

缺点：无法避免暴力反射创建对象。

备注：此处的volatile发挥了内存可见性及防止指令重排序作用。

三、枚举实现单例

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

枚举实现单例是最为推荐的一种方法，因为就算通过序列化，反射等也没办法破坏单例性。(关于Android使用枚举会产生性能问题的说法，这应该是Android 2.x系统之前内存紧张的时代了，现在已经Android 13了，相信某些场合枚举所带来的便利远远大于这点所谓的性能影响)

四、如何避免单例模式反射攻击

以最初的DCL为测试案例，看看如何进行反射攻击及又如何在一定程度上避免反射攻击。反射攻击代码如下：

 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());
 }

执行结果：

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

通过执行结果发现通过反射破坏了单例。如何保证反射安全呢？只能以暴制暴，当已经存在实例的时候再去调用构造函数直接抛出异常，对构造函数做如下修改：

  public class SingleTon {     //创建唯一实例
     private static volatile SingleTon instance = null;   
     private SingleTon() {         if (instance != null) {             throw new RuntimeException("单例构造器禁止反射调用");
         }
     }   
     public static SingleTon getInstance() {         if (instance == null) {
           synchronized (SingleTon.class) {   
               if (instance == null) {
                   instance = new SingleTon();
               }
           }
       }       return instance;
     } 
 }

此时可防御反射攻击,抛出异常如下：

 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: 单例构造器禁止反射调用
 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

然后我们把上述测试代码修改如下（调换了singleton1的初始化顺序）：

 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(); //调换了位置，在反射之后执行
     System.out.println("singleton1.hashCode():" + singleton1.hashCode());
 }

执行结果：

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

发现此防御未起到作用。

缺点：

如果反射攻击发生在正常调用getInstance之前，每次反射攻击都可以获取单例类的一个实例，因为即使私有构造器中使用了静态成员（instance），但单例对象并没有在类的初始化阶段被实例化，所以防御代码不生效，从而可以通过构造器的反射调用创建单例类的多个实例；
如果反射攻击发生在正常调用之后，防御代码是可以生效的；

如何避免序列化攻击？只需要修改反序列化的逻辑就可以了，即重写 readResolve() 方法，使其返回统一实例。

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

脆弱不堪的单例模式经过重重考验，进化成了完全体，延迟加载，线程安全，反射及序列化安全。简易代码如下：

饿汉模式

public class SingleTon {    private static SingleTon instance = new SingleTon();    
    private SingleTon() {        if (instance != null) {              throw new RuntimeException("单例构造器禁止反射调用");
         }
    }    public static SingleTon getInstance() {        return instance;
    } 
}

静态内部类

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("单例构造器禁止反射调用");
       }
    }
}

懒汉模式

public class SingleTon {    //创建唯一实例
    private static SingleTon instance = null;    
    private SingleTon() {        if (instance != null) {              throw new RuntimeException("单例构造器禁止反射调用");
        }
    }    
    public static SingleTon getInstance() {        //延迟初始化 在第一次调用 getInstance 的时候创建对象
        if (instance == null) {
            instance = new SingleTon();
        }        return instance;
    } 
}

缺点：

如果反射攻击发生在正常调用getInstance之前，每次反射攻击都可以获取单例类的一个实例，因为即使私有构造器中使用了静态成员（instance），但单例对象并没有在类的初始化阶段被实例化，所以防御代码不生效，从而可以通过构造器的反射调用创建单例类的多个实例；
如果反射攻击发生在正常调用之后，防御代码是可以生效的。

（枚举实现单例是最为推荐的一种方法，因为就算通过序列化，反射等也没办法破坏单例性,底层实现比如newInstance方法内部判断枚举抛异常）

推荐学习：《java视频教程》

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