概述
单例模式（Singleton Pattern）:确保一个类只有一个实例，而且自行实例化后向整个系统提供这个实例，这个类是单例类，它提供全局的该单一实例的访问方式。单例模式是创建类的唯一实例的创造模式。
问题
怎样确保一个特殊类的示例是独一无二的（唯一的实例），并且这个实例易于访问？
解决方案
- 全局变量
提供对象向的引用。 - 私有的构造器
防止构造器在其他类被调用创造多个实例。 - 共有的静态方法
向系统内其他的类提供该引用，如果是全局变量是public的就不需要这个方法了。
结构
singletonPattern.png
单例模式有三个要点：
- 一个类只能有一个实例
- 它必须自行创建这个实例
- 它必须自行向整个系统提供这个实例
java中的单例模式
经典单例模式
共有静态成员实现单例
/**
* 共有静态成员实现单例
*
不需要提供访问成员变量的静态方法
* @author c_zhouwenjun-001
*
*/
public class PublicSingleton {
/**
* 共有的成员变量，在类初始化的时候调用构造方法，创建类的唯一实例
*/
public static final PublicSingleton instance = new PublicSingleton();
private PublicSingleton() {
}
}
- 特点：不需要提供访问成员变量的静态方法
饿汉模式
/**
* 单例模式--饿汉模式
*
优点：线程安全
*
缺点：在类加载的时候加载，浪费内存
* @author c_zhouwenjun-001
*
*/
public class EagerSingleton {
private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();
private EagerSingleton() {
}
/**
* 共有的静态成员变量访问方法
* @return
*/
public static EagerSingleton getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
- 优点：线程安全，没有加锁，执行效率会提高。
- 缺点：在类加载的时候加载，浪费内存
懒汉模式
**
* 单例模式--懒汉模式
*
非线程安全
*
*/
public class LazySingleton {
/**
* 静态的私有的成员变量
*/
private static LazySingleton instance = null;
/**
* 私有的构造器
*/
private LazySingleton() {
}
/**
* 共有静态的单例对象访问方法
* @return
*/
public static LazySingleton getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}
- 优点：可以实现懒加载，防止内存浪费
- 缺点： 非线程安全
线程安全懒汉模式
/**
* 安全的懒加载单例模式
*
优点：保证了线程安全
*
缺点：效率低下每次调用getInstance方法，都需要在synchronize地方排队，
* 实际遇到需要new对象的地方很少
*
*/
public class SafeLazySingleton {
private static SafeLazySingleton instance = null;
private SafeLazySingleton() {
}
/**
* 使用synchronized关键字对SafeLazySingleton.class对象加锁
* @return
*/
public static synchronized SafeLazySingleton getIntance() {
if (instance == null) {
instance = new SafeLazySingleton();
}
return instance;
}
}
- 优点：使用了synchronize机制保证了线程安全
- 缺点：效率低下每次调用getInstance方法，都需要在synchronize地方排队，实际遇到需要new对象的地方很少
双重锁检查机制
/**
* 高效的线程安全的懒加载的单例模式
*
*/
public class EffectiveSafeLazySingleton implements Serializable{
private static final long serialVersionUID = 1L;
/**
* 使用volatile关键字 jVM提供的轻量级同步机制
*
1.保证静态成员变量instance的内存可见性；
*
2.禁止指令重排优化
*/
private static volatile EffectiveSafeLazySingleton instance = null;
private EffectiveSafeLazySingleton() {
}
/**
* 双重检查锁定
* @return
*/
public static EffectiveSafeLazySingleton getInstance() {
if(instance == null) {//第一次判空操作
synchronized (EffectiveSafeLazySingleton.class) {
if(instance == null) {
//这一步，不是原子性操作，可能发生指令重排
//可能的指令为： 1.分配内存空间
// 2.初始化对象
// 3.将instance指向刚分配的内存空间
//指令重排后可能的执行顺序为，先执行1，3，2
//将会发生 线程A执行到1，3
//线程B 执行第一次判空操作
//对象非空 返回一个没有创建的对象
instance = new EffectiveSafeLazySingleton();
}
}
}
return instance;
}
}
- 优点：相对于synchronize实现对整个方法枷锁，减少了加锁的次数，性能提高
- 缺点：实现复杂
静态内部类实现单例
/**
* 使用内部类初始化单例对象
*
*/
public class HolderSingleton {
private HolderSingleton() {
}
private static class Holder{
private static final HolderSingleton HOLDER = new HolderSingleton();
}
/**
* 使用内部类在内部类加载的时候初始化对象
*
类加载的最后一步，会执行类的方法初始化类，
* 虚拟机会保证类的方法会被正确的枷锁、同步
* @return
*/
public static HolderSingleton getInstance() {
return Holder.HOLDER;
}
}
- 优点：利用内部类实现了线程安全的懒加载
单例模式破坏与保护
上述的单例模式的缺点
- 都需要额外的工作来实现序列化安全，否则每次反序列化都会生成新的对象
1.实现序列化接口
2.所有实例成员变量都时瞬时（transient）
3.加入readRsolve（）方法 - 可以使用反射机制强制调用私有的构造方法，创建新的对象
破坏单例模式
/**
* java破坏单例模式
*
java实现的单例模式容易被反射和序列化破坏
*
*/
public class BrokenSingleton {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// reflectBrokenSingleton();
// serializableBrokenSingleton();
preventReflectBrokenSingleton();
}
/**
* 使用反射机制破坏单例模式
* 可以使用计数的方式防止被反射模式破坏
* @throws Exception
*/
public static void reflectBrokenSingleton() throws Exception {
EffectiveSafeLazySingleton s1 = EffectiveSafeLazySingleton.getInstance();
Constructor
constructor = EffectiveSafeLazySingleton.class.getDeclaredConstructor();
//设置私有的构造器可以被访问
constructor.setAccessible(true);
//使用构造器创建对象
EffectiveSafeLazySingleton s2 = constructor.newInstance();
System.out.println("s1:"+s1.hashCode());
System.out.println("s2:"+s2.hashCode());
//结果
//s1:366712642
//s2:1829164700
}
/**
* 使用序列化机制破坏单例模式
*/
public static void serializableBrokenSingleton(){
EffectiveSafeLazySingleton s1 = EffectiveSafeLazySingleton.getInstance();
ByteArrayOutputStream baos = null;
ByteArrayInputStream bais = null;
ObjectOutputStream oos = null;
ObjectInputStream ois = null;
EffectiveSafeLazySingleton s2 = null;
try {
baos = new ByteArrayOutputStream();
oos = new ObjectOutputStream(baos);
oos.writeObject(s1);
bais = new ByteArrayInputStream(baos.toByteArray());
ois = new ObjectInputStream(bais);
s2 = (EffectiveSafeLazySingleton) ois.readObject();
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
baos = null;
bais = null;
try {
if(oos != null) oos.close();
if(ois != null) ois.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("s1:"+s1.hashCode());
System.out.println("s2:"+s2.hashCode());
//结果
//s1:366712642
//s2:1028566121
}
/**
* 防止反射破坏单例
* @throws Exception
*/
public static void preventReflectBrokenSingleton() throws Exception {
PreventBrokenSingleton s1 = PreventBrokenSingleton.getInstance();
Constructor
constructor = PreventBrokenSingleton.class.getDeclaredConstructor();
//设置私有的构造器可以被访问
constructor.setAccessible(true);
//使用构造器创建对象
PreventBrokenSingleton s2 = constructor.newInstance();
System.out.println("s1:"+s1.hashCode());
System.out.println("s2:"+s2.hashCode());
//结果
// Exception in thread "main" 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 xin.chunfy.spria.util.designPattern.creationalPattern.singletonPattern.BrokenSingleton.preventReflectBrokenSingleton(BrokenSingleton.java:88)
// at xin.chunfy.spria.util.designPattern.creationalPattern.singletonPattern.BrokenSingleton.main(BrokenSingleton.java:21)
// Caused by: java.lang.RuntimeException: 单例对象已经被创造
// at xin.chunfy.spria.util.designPattern.creationalPattern.singletonPattern.PreventBrokenSingleton.(PreventBrokenSingleton.java:11)
// ... 6 more
}
}
保护单例模式
public class PreventBrokenSingleton {
/**
* 计下实例被创造次数
*/
private static int count = 0;
private static volatile PreventBrokenSingleton instance = null;
private PreventBrokenSingleton() {
if(count > 0) {
throw new RuntimeException("单例对象已经被创造");
}
count ++;
};
public static PreventBrokenSingleton getInstance() {
if(instance == null) {
synchronized (PreventBrokenSingleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new PreventBrokenSingleton();
}
}
}
return instance;
}
//TODO 防止单例对象被反射机制反复创建
}
- 使用实例计数器防止构造器被多次调用
枚举单例模式
/**
* 单例模式--枚举实现单例模式
*
《Effective Java》单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。
*
优点
*
* - 1.保证线程安全
* - 2.防止反射强行调用私有构造器
* - 3.提供了自动序列化，防止反序列化重新创建对象
*
* @author c_zhouwenjun-001
*
*/
public enum EnmuSingleton {
INSTANCE;
private String name;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
- 《Effective Java》书中 :
单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。
总结
优点：
- 单例模式提供了对唯一实例的受控访问，节省了系统资源。
缺点：
- 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。单例类即充当了工厂角色， 提供了工厂方法，又充当了产品角色。