java设计模式精讲 Debug 方式+内存分析 第8章 单例模式
单例模式
- 8-1 单例模式讲解
- 8-2 单例设计模式-懒汉式及多线程Debug实战
- 8-3 单例设计模式-DoubleCheck双重检查实战及原理解析
- 8-4 单例设计模式-静态内部类-基于类初始化的延迟加载解决方案及原理解析
- 8-5 单例设计模式-饿汉式
- 8-6 单例设计模式-序列化破坏单例模式原理解析及解决方案
- 8-7 单例设计模式-反射攻击解决方案及原理分析
- 8-8 单例设计模式-Enum枚举单例、原理源码解析以及反编译实战
- 8-9 单例设计模式-容器单例
- 8-10 单例设计模式-ThreadLocal线程单例
- 8-11 单例模式源码分析(jdk+spring+mybatis)
8-1 单例模式讲解
8-2 单例设计模式-懒汉式及多线程Debug实战
懒汉式单例：
public class LazySingleton {
/** 懒汉模式的话，开始没有进行初始化 */
private static LazySingleton lazySingleton = null;
/** 构造器要进行私有化 */
private LazySingleton(){
}
public static LazySingleton getInstance() {
/** 这个是有线程安全的问题 */
if (lazySingleton == null) {
/**
* 如果一个线程进来了，但是这个时候，在new实例的时候，阻塞了或者还没有new出实例，
* 这个时候，另外一个线程判断lazySingleton依然是空的，那么就这时候，也进来了，
* 那么这个时候，就是有线程安全问题的
*/
lazySingleton = new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}
我们来测试一下：
public class Test {
public static void main(String[]args){
LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
System.out.println(lazySingleton);
}
}
debug调试：
我们再来看看多线程的时候，会出现什么问题：
public class T implements Runnable{
@Override
public void run() {
LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+lazySingleton);
}
}
测试代码如下：
public class Test {
public static void main(String[]args){
Thread t1 = new Thread(new T());
Thread t2 = new Thread(new T());
t1.start();
t2.start();
System.out.println("program end");
}
}
program end
Thread-1 com.ldc.design.pattern.creational.singleton.LazySingleton@5102a646
Thread-0 com.ldc.design.pattern.creational.singleton.LazySingleton@5102a646
这个时候，我们就要用到多线程debug来进行调试：
模拟两个线程，一个线程在进入if之后，还没有new出实例， 这个时候，另外一个线程也进来了，if判断这个时候还没有实例，于是也进入了if里面，这个时候，就new出来两个实例：
然后，我们在切换到thread0,让它赋值上：
接着我们切换到Thread1:
我们接着向下执行：
Thread0和Thread1都放过：
虽然此时，两个对象还是同一个对象，但是是经过了修改了的：
我们再debug返回不同的对象：
我们先都两个线程进入if判断，然后一个线程直接执行完成，再另外一个线程执行完成，这个时候，返回的就是两个对象了：
我们对懒汉式单例模式的线程安全问题有几种解决方案：
方式一：在获取实例的方法上添加synchronized关键字
如果锁加载静态方法上 ，那么就相当于锁是加在这个类的class文件;如果不是静态方法相当于是在堆内存中生成的对象：
public class LazySingleton {
/** 懒汉模式的话，开始没有进行初始化 */
private static LazySingleton lazySingleton = null;
/** 构造器要进行私有化 */
private LazySingleton(){
}
public synchronized static LazySingleton getInstance() {
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}
方式二：把获取实例的方法内添加synchronized代码块
public class LazySingleton {
/** 懒汉模式的话，开始没有进行初始化 */
private static LazySingleton lazySingleton = null;
/** 构造器要进行私有化 */
private LazySingleton(){
}
public static LazySingleton getInstance() {
synchronized (LazySingleton.class) {
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazySingleton();
}
}
return lazySingleton;
}
}
我们再运行Thread1，发现运行不下去了，已经是阻塞的状态了：
最后拿的就是同一个对象：
但是，我们知道，加锁和解锁的时候，是会带来额外的开销，对性能会有一定的影响;我们再来进行演进，在性能和安全上进行平衡;
8-3 单例设计模式-DoubleCheck双重检查实战及原理解析
我们 可以这样来写：
public class LazyDoubleCheckSingleton {
/** 懒汉模式的话，开始没有进行初始化 */
private static LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null;
/** 构造器要进行私有化 */
private LazyDoubleCheckSingleton(){
}
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return lazyDoubleCheckSingleton;
}
}
这个时候，会有一个风险：那就是发生了重排序:
public class LazyDoubleCheckSingleton {
/** 懒汉模式的话，开始没有进行初始化 */
private static LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null;
/** 构造器要进行私有化 */
private LazyDoubleCheckSingleton(){
}
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
/** 如果2和3进行重排序，那么这里的判断并不为空，这个时候，实际上对象还没有初始化好，就可以进行这个判断 */
if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
/**
* 实际上有三个步骤：
* 1. 分配内存给这个对象
* 2. 初始化对象
* 3.设置lazyDoubleCheckSingleton指向刚分配的内存地址
* 2和3的顺序有可能会被颠倒，
*
* 这个时候，就规定所有的线程在执行java程序的时候，必须要遵守intra-thread semantics这么一个规定
* 它保证了重排序不会改变单线程内的程序执行结果
*/
lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return lazyDoubleCheckSingleton;
}
}
下图就是表示单线程的情况：规定所有的线程在执行java程序的时候，必须要遵守intra-thread semantics这么一个规定，它保证了重排序不会改变单线程内的程序执行结果。
现在来看一下多线程的情况：
我们可以尝试不允许重排序：
我们在初始化的时候，给它加上一个volatile关键字：这个时候，就可以实现线程安全的延迟初始化，这样的话，重排序就是会被禁止，在多线程的时候，CPU也有共享内存，我们加上了这个关键字了之后，所有线程就能看到共享内存的最新状态，保证了内存的可见性，使用volatile的时候，在进行写操作的时候，会多出一些汇编代码，起到两个作用1）将当前处理器缓存好的数据写回到系统内存中，其他内存从共享内存中同步数据，这样的话，就保证了共享内存的可见性，这里就是使用了缓存一致性的协议，当发现缓存内存中的数据无效，会重新从系统内存中把数据读回处理器的内存里;
public class LazyDoubleCheckSingleton {
/** 懒汉模式的话，开始没有进行初始化 */
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null;
/** 构造器要进行私有化 */
private LazyDoubleCheckSingleton(){
}
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
/** 如果2和3进行重排序，那么这里的判断并不为空，这个时候，实际上对象还没有初始化好，就可以进行这个判断 */
if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
/**
* 实际上有三个步骤：
* 1. 分配内存给这个对象
* 2. 初始化对象
* 3.设置lazyDoubleCheckSingleton指向刚分配的内存地址
* 2和3的顺序有可能会被颠倒，
*
* 这个时候，就规定所有的线程在执行java程序的时候，必须要遵守intra-thread semantics这么一个规定
* 它保证了重排序不会改变单线程内的程序执行结果
*/
lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return lazyDoubleCheckSingleton;
}
}
通过volatile和doubleCheck的这种方式既兼顾了性能，又兼顾了线程安全的问题;
我们来进行测试一下：
这个时候，拿到这个就是同一个对象：
8-4 单例设计模式-静态内部类-基于类初始化的延迟加载解决方案及原理解析
这个就是用静态内部类来实现单例模式：
public class StaticInnerClassSingleton {
private static class InnerClass {
private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton();
}
public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
return InnerClass.staticInnerClassSingleton;
}
private StaticInnerClassSingleton(){
}
}
8-5 单例设计模式-饿汉式
在类加载的时候，就完成了实例化，避免了线程同步的问题，缺点就是在类加载的时候，就完成了初始化，没有延迟加载，这个时候，就是会造成内存的浪费
public class HungrySingleton {
private final static HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getInstance() {
return hungrySingleton;
}
}
也可以这样来写：
public class HungrySingleton {
private final static HungrySingleton hungrySingleton;
static {
hungrySingleton = new HungrySingleton();
}
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getInstance() {
return hungrySingleton;
}
}
饿汉式和懒汉式最大的区别就是在有没有延迟加载;
8-6 单例设计模式-序列化破坏单例模式原理解析及解决方案
我们给这类实现一个序列化接口：
public class HungrySingleton implements Serializable {
private final static HungrySingleton hungrySingleton;
static {
hungrySingleton = new HungrySingleton();
}
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getInstance() {
return hungrySingleton;
}
}
我们来测试：
public class Test {
public static void main(String[]args) throws IOException, ClassNotFoundException {
HungrySingleton instance = HungrySingleton.getInstance();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton_file"));
oos.writeObject(instance);
File file = new File("singleton_file");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
HungrySingleton newInstance = (HungrySingleton) ois.readObject();
System.out.println(instance);
System.out.println(newInstance);
System.out.println(instance == newInstance);
}
}
输出结果：
com.ldc.design.pattern.creational.singleton.HungrySingleton@312b1dae
com.ldc.design.pattern.creational.singleton.HungrySingleton@443b7951
false
这个时候，通过序列化和反序列化拿了不同的对象;而我们希望拿到的是同一的对象，我们可以这样来做：
public class HungrySingleton implements Serializable {
private final static HungrySingleton hungrySingleton;
static {
hungrySingleton = new HungrySingleton();
}
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getInstance() {
return hungrySingleton;
}
/** 我们加上这样的一个方法 */
private Object readResolve() {
return hungrySingleton;
}
}
我们再来进行测试，这个时候，两个对象就是同一个对象：
com.ldc.design.pattern.creational.singleton.HungrySingleton@312b1dae
com.ldc.design.pattern.creational.singleton.HungrySingleton@312b1dae
true
我们通过用debug的方式查看源码，我们可以看出这个方法是通过反射出来的：
一旦，我们在程序中使用了序列化的时候，一定要考虑序列化对单例破坏;
8-7 单例设计模式-反射攻击解决方案及原理分析
我们用反射来写：
public class Test {
public static void main(String[]args) throws IOException, ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
Class objectClass = HungrySingleton.class;
Constructor constructor = objectClass.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
HungrySingleton instance = HungrySingleton.getInstance();
HungrySingleton newInstance = (HungrySingleton) constructor.newInstance();
System.out.println(instance);
System.out.println(newInstance);
System.out.println(instance==newInstance);
}
}
测试结果：
com.ldc.design.pattern.creational.singleton.HungrySingleton@12edcd21
com.ldc.design.pattern.creational.singleton.HungrySingleton@34c45dca
false
现在，我们就来写反射防御的代码：
在用静态内部类来生成的也可以用上这个反射防御的方式：
public class StaticInnerClassSingleton {
private static class InnerClass {
private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton();
}
public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
return InnerClass.staticInnerClassSingleton;
}
private StaticInnerClassSingleton(){
if (InnerClass.staticInnerClassSingleton != null) {
throw new RuntimeException("单例构造器禁止反射调用");
}
}
}
8-8 单例设计模式-Enum枚举单例、原理源码解析以及反编译实战
public enum EnumInstance {
INSTANCE;
private Object data;
public Object getData() {
return data;
}
public void setData(Object data) {
this.data = data;
}
public static EnumInstance getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
我们要调用方法的话，那么我们就是可以这样来写：
public enum EnumInstance {
INSTANCE {
@Override
protected void printTest() {
System.out.println("Geely Print Test");
}
};
protected abstract void printTest();
private Object data;
public Object getData() {
return data;
}
public void setData(Object data) {
this.data = data;
}
public static EnumInstance getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
8-9 单例设计模式-容器单例
我们可以这样来写：
public class ContainerSingleton {
private static Map<String, Object> singletonMap = new HashMap<>();
public static void putInstance(String key,Object instance) {
if (StringUtils.isNotBlank(key) && instance!=null) {
if (!singletonMap.containsKey(key)) {
singletonMap.put(key, instance);
}
}
}
public static Object getInstance(String key) {
return singletonMap.get(key);
}
private ContainerSingleton() {
}
}
我们来测试一下：
public class Test {
public static void main(String[]args) throws IOException, ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
Thread t1 = new Thread(new T());
Thread t2 = new Thread(new T());
t1.start();
t2.start();
System.out.println("program end");
}
}
如果map使用了HashTable，那么它就是线程安全的，但是这样的话，性能会有降低;
8-10 单例设计模式-ThreadLocal线程单例
8-11 单例模式源码分析(jdk+spring+mybatis)
懒汉式：
