[-设计模式知几何-] 创建型05-单例模式

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1.介绍与思考

单例模式:保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问他的全局访问点

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1.1:单例与设计原则

单例模式像一个奇葩，和设计原则格格不入。现在对象的创建，因此无接口拓展可言
依赖倒置原则、接口隔离原则、迪米特原则、里氏替换原则、合成复用原则研究无从谈起。
单例无法派生自己的族系，所有修改都要在本体中进行，违反开放封闭原则
单例是典型的大包干，功能的集聚地，可能存在职责过重，而违反单一职责原则

• 既然单例完全不遵守七大设计原则，它为何能在设计模式中立足?

设计原则旨在协调一个软件实体(类、模块、函数)之间的结构关系 。
而单例往往只是一个类，没有自己的族系和朋友圈，它就像孤独而至高的王。
其次是因为它真的非常简单和好用。没有抽象的族系拓展，让它可以很容易被理解。

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1.2:单例优势与劣势

---->[优势]----
[1].全局内存中只需有一个实例对象,减小内存开销
[2].使用一个对象提供访问，避免对稀缺资源的多重占用
[3].私有化构造，提供全局的唯一访问点，严格控制访问

---->[劣势]----
[1].无接口拓展可言,所有修改都要在本体中进行
[2].可能存在职责过重，而违反单一职责原则

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1.3:本文例子

如果上线一个世界程序，一个World对象占据内存10G
世界不能随便去new,如何不让上层无法主动创建World对象，
World对象占据内存太大，服务器无法支撑多个世界对象,需要提供唯一World对象

• 关于单例的几个要点:

[1].私有构造:将类的构造私有化，从而限制外界访问。
[2].延迟加载:当且仅当第一次获取单例对象是才会创建对象。
[3].线程安全:多线程时不会创建多个该类对象。
[4].防反序列化:反序列化不会创建多个该类对象。
[5].防反射:反射不会创建多个该类对象。

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一、单例的n种形式–形式上的一切都仅是开始而已

1.极简单例(饿汉)

作为静态变量直接创建，最大的缺点是单例对象为没有延迟加载性

public class World {
    private final static World sWorld = new World();
    //[1]私有化构造
    private World() {
        initWorld();//初始化世界
        System.out.println("世界已创建");
    }
    private void initWorld() {
    }
    //[2]返回内部静态实例
    public static World getInstance() {
        return sWorld;
    }
}

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2.单线程懒加载(懒汉)

最大的缺点是线程不安全,怎么个不安全法，且听我细细道来。

public class World {
    private static World sWorld = null;
    //[1]私有化构造
    private World() {
        initWorld();//初始化世界
        System.out.println("世界已创建");
    }
    private void initWorld() {

    }
    //[2]返回内部静态实例
    public static World getInstance() {
        if (sWorld==null){
            sWorld=new World(); 
        }
        return sWorld;
    }
}

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之所以称为单例，是因为在多次调用getInstance获取实例时是相同实例，且构造只执行一次

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        World world = World.getInstance();
        World world2 = World.getInstance();
        World world3 = World.getInstance();

        System.out.println(world);//World@41cf53f9
        System.out.println(world2);//World@41cf53f9
        System.out.println(world3);//World@41cf53f9

    }
}

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之所以说线程不安全，因为多线程下sWorld==null可能被多次通过，所以实例化多个对象。
演示一下，在一个Machine的Runnable对象中调用了World.getInstance()来获取World对象

public class Machine implements Runnable {
    public void run() {
        World.getInstance();
    }
}

这时在Client中创建1000个线程去使用这个World,千人同时在线，每个用户一个访问线程
如果不作线程安全处理，就会创建多个世界，如果一个世界的渲染需要10G内存，结果可想而知,这样单例就没有意义了。

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(new Machine()).start();
        }
    }
}

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如果你会多线程调试，可以自己干预一下线程的执行。

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3.懒汉双检锁

第一检–该对象是否非空,为空才进行同步锁定
第二检–该对象是否非空,为空才创建实例

public class World {
    private volatile static World sWorld;
    //[1]私有化构造
    private World() {
        initWorld();//初始化世界
        System.out.println("世界已创建");
    }
    private void initWorld() {
    
    }
    //[2]返回内部静态实例
    public static World getInstance() {
        if (sWorld == null) {//判断非空后--执行
            synchronized (World.class) {//加锁,保证多线程下的单例
                if (sWorld == null) {//非空，创建实例
                    sWorld = new World();
                }
            }
        }
        return sWorld;
    }
}

这样无论多少个线程World都只会创建一次。虽然synchronized同步会影响一丢丢性能
不过进行了双检,只要有sWorld被创建了,是不会走同步的，测试了一下10000000个线程通过第一检的也就10几个，所以这样挺完美的。

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• 关于指令重排序

一些时候指令重排序会将2和3步骤调换来提高性能。但并非百分百都会重排序。
这在单线程中并没有什么威胁，但这里多线程中sWorld == null
如果发生重排序，sWorld指向内存空间，就会非空,如果实例化还没有来及。
下一个线程进入就会获取到一个未初始化完成的对象，在使用它时会空指针异常。
解决方案很简单在实例声明时加上volatile关键字即可。

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4.静态内部类

原理:Class对象的初始化锁。和上面的功能基本，所以我喜欢这个

public class World {
    //[1]私有化构造
    private World() {
        initWorld();//初始化世界
        System.out.println("世界已创建");
    }
    private void initWorld() {
    }
    //[3]返回内部静态实例
    public static World getInstance() {
        return WorldHolder.sWorld;
    }
    //[2]创建内部类创建实例
    private static class WorldHolder {
        private static final World sWorld = new World();
    }
}

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5.至简–枚举

枚举默认私有化构造器，防反射，防反序列化。

public enum World {
    INSTANCE;
    World() {
        initWorld();//初始化世界
        System.out.println("世界已创建");
    }
    private void initWorld() {
    }
}

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关于枚举:下面是通过jad反编译得到的枚举源码，可见枚举在JVM的眼中也只是一个类而已，
并且私有化构造+静态代码块初始实例,天然的单例材料。由于静态代码块初始实例，所以不是懒加载
命令:jad -s .java -8 World.class

package com.toly1994.dp.creational.singleton.world.enum_;

import java.io.PrintStream;
public final class World extends Enum{
    public static World[] values(){
        return (World[])$VALUES.clone();
    }
    
    public static World valueOf(String name){
        return (World)Enum.valueOf(com/toly1994/dp/creational/singleton/world/enum_/World, name);
    }

    private World(String s, int i){
        super(s, i);
        initWorld();
        System.out.println("\u4E16\u754C\u5DF2\u521B\u5EFA");
    }

    private void initWorld(){//私有化构造
    }

    public static final World INSTANCE;//静态实例
    private static final World $VALUES[];

    static //静态代码块初始实例
    {
        INSTANCE = new World("INSTANCE", 0);
        $VALUES = (new World[] {
            INSTANCE
        });
    }
}

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三、单例下的反序列化与反射

单例的价值在于一个程序中只用一个该对象实例
如果有恶意份子通过反射创建了另一个世界会怎么样?

1.单例的测试

通过debug看出两次获取的都是同一个世界，这就是单一实例

public class God {
    public static void main(String[] args) {
        World world1 = World.getInstance();
        World world2 = World.getInstance();
    }
}

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2.通过反射创建实例

可见world3的内存地址已经不一样了，说明出现了第二个世界，也就是单例的失效

public class God {
    public static void main(String[] args) {
        World world1 = World.getInstance();
        World world2 = World.getInstance();
        //通过反射创建
        Class worldClass = World.class;
        try {
            Constructor constructor = worldClass.getDeclaredConstructor(null);
            constructor.setAccessible(true);
            World world3 = constructor.newInstance();
            System.out.println(world3==world2);//false
            System.out.println(world1==world2);//true
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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3.通过反序列化创建对象

如果你的单例类有序列化的需求(如，单例对象本地存储，单例对象网络传输)
反序列化形成的实例也并非原来的实例

---->[World]-------------
public class World implements Serializable {

---->[God]-------------
public class God {
    public static void main(String[] args) {
        World world1 = World.getInstance();
        World world2 = World.getInstance();

        //通过反射创建
        Class worldClass = World.class;
        try {
            Constructor constructor = worldClass.getDeclaredConstructor(null);
            constructor.setAccessible(true);
            World world3 = constructor.newInstance();
            System.out.println(world3 == world2);//false
            System.out.println(world1 == world2);//true
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //通过反序列化创建对象
        try {
            //序列化输出
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("world.obj"));
            oos.writeObject(world1);
            //反序列化创建对象
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("world.obj"));
            World world4 = (World) ois.readObject();
            ois.close();
            System.out.println(world1 == world4);//false
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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4.发序列化的解决方案

通过反序列化时的钩子函数：readResolve来控制序列化对象实例

---->[World]-------------
//解决反序列化创建实例的问题，readResolve创建的对象会直接替换io流读取的对象
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
    return getInstance();
}

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四、结尾小述

1.单例抉择

[1] 确定以及肯定不会在单线程中用到的单例对象，可以用单线程的懒汉
[2] 单例对象不大,并不介意在类加载时实例化对象，枚举首选，其次是饿汉
[3] 如果要在多线程的时候完全防反射,双检锁模式不可以。可使用静态初始化的几种模式，在创建对象时进行非空校验即可

2.常见的单例

java.util.Calendar 标准单例，通过Calendar.getInstance方法获取对象
java.lang.System 完全单例，不提供外部构造方法，全部以静态方法提供服务
android.view.LayoutInflater 标准单例 ，通过LayoutInflater.from(Context)方法获取对象

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后记：捷文规范

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