Java设计模式之创建者模式之单例模式最详解（类图+源码）
创建型模式的主要关注点是”怎样创建对象？“，它的主要特点是”将对象的创建与使用分离“。这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节。
创建者模式可以分为：单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、原型模式、建造者模式。
1、单例模式
单例模式（Singleton Pattern）是Java中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该对象。
单例模式的主要角色
单例类：只能创建一个实例的类。
访问类：使用单例类。
单例模式的实现
单例设计模式分为两种
饿汉式：类加载就会导致该实例对象被创建
懒汉式：类加载不会导致该单例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建。
饿汉式-方式1（静态变量方式）
public class Singleton {
//1、私有构造方法
private Singleton(){}
//2、在本类中创建本类对象
private static Singleton instance =new Singleton();
//3、提供一个公共的访问方式，让外界获取该对象
public static Singleton getInstance(){
return instance;
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Singleton instance = Singleton.getInstance();
Singleton instance1=Singleton.getInstance();
//判断获取到的两个是否是同一个对象
System.out.println(instance==instance1);
}
}
结果
true
Process finished with exit code 0
饿汉式-方式2（静态代码块方式）
public class Singleton {
//私有构造方法
private Singleton(){}
//声明Singleton类型的变量
private static Singleton instance;
//在静态代码块中进行赋值
static {
instance=new Singleton();
}
//对外提供获取该类对象的方法
public static Singleton getInstance(){
return instance;
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Singleton instance=Singleton.getInstance();
Singleton instance1=Singleton.getInstance();
System.out.println(instance==instance1);
}
}
结果
true
Process finished with exit code 0
该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，而对象的创建时在静态代码块中，也时随之类的加载而创建。所以和饿汉式的方式1基本上一样，当然该方式也存在内存浪费的问题。
懒汉式-方式1（线程不安全）
//懒汉式
public class Singleton {
//私有构造方法
private Singleton(){}
//声明Singleton类型的变量instance,只是声明一个该类型的变量，并没有进行赋值
private static Singleton instance;
//对外提供访问方式
public static Singleton getInstance(){
instance=new Singleton();
return instance;
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Singleton instance = Singleton.getInstance();
Singleton instance1=Singleton.getInstance();
System.out.println(instance==instance1);
}
}
结果
false
Process finished with exit code 0该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并没有进行对象的赋值操作，那么什么时候赋值呢？当调用getInstance（）方法时获取Singleton类的对象的时候才创建Singleton类的对象，这样就实现了懒加载的效果。但是，如果时多线程环境，会出现线程安全问题。
懒汉式-方式2（线程安全）
在方式1的基础在对外提供访问方式时加上关键字synchronized
//对外提供访问方式
public static synchronized Singleton getInstance(){
if(instance==null){
instance=new Singleton();
}
return instance;
}懒汉式-方式3（双重检查锁）
对于getInstance（）方法来说，绝大部分的操作都是读操作，读操作是线程安全的，所以没必要让每个线程必须持有锁才能调用该方法，我们需要调整加锁的时机。由此也产生了一种新的实现模式：双重检查锁模式。
//懒汉式：双重检查锁模式
public class Singleton {
private Singleton(){}
private static Singleton instance;
public static Singleton getInstance() {
//第一次判断,如果instance的值不为null，不需要抢占所，直接返回对象
if(instance == null){
synchronized (Singleton.class){
//第二次判断
if(instance==null){
instance=new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}双重检查锁模式是一种非常好的单例实现模式，解决了单例、性能、线程安全问题，上面的双重检查锁模式看上去完美无缺，其实是存在问题的，在多线程的情况下，可能会出现空指针问题，出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。
要解决双重检查锁模式带来的空指针异常的问题，只需要使用volatile关键字，volatile关键字可以保证可见性和有序性。
添加volatile关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例实现模式，能够保持在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题。
懒汉式-方式4（静态内部类方式）
静态内部类单例模式中实例由内部类创建，由于JVM在加载外部类的过程中，是不会加载静态内部类的，只有内部的属性或方法被调用时才会被加载，并初始化其静态属性。静态属性由于被static修饰，保证只被实例化一次，并且严格保证实例化顺序。
public class Singleton {
//私有化构造方法
private Singleton(){}
//定义一个静态内部类
private static class SingletonHolder{
//在内部类中声明并初始化内部类的对象
private static final Singleton INSTANCE=new Singleton();
}
//提供公共的访问方式
public static Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
Singleton instance = Singleton.getInstance();
System.out.println(instance==instance1);
}
}
结果
true
Process finished with exit code 0
说明：第一次加载Singleton类时不会初始化INSTANCE，只有第一次调用getInstance，虚拟机加载SingletonHolder并初始化INSTANCE，这样不仅能确保线程安全，也能保证Singleton类的唯一性。
静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式，是开源项目中比较常用的一种单例模式。在没有任何锁的情况下，保证了多线程下的安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。
枚举模式
枚举类实现单例模式是极力推荐的单例实现模式，因为枚举类型是线程安全的的，并且只会装载一次，设计者充分的利用了枚举的这个特性来实现单例模式。枚举的写法非常简单，而且枚举类型是所有单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式。
//枚举实现方式
public enum Singleton {
INSTANCE;
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Singleton instance=Singleton.INSTANCE;
Singleton instance1=Singleton.INSTANCE;
System.out.println(instance==instance1);
}
}
结果
true
Process finished with exit code 0
枚举方式属于恶汉式方式。
单例模式中存在的问题
破坏单例模式：使上面定义的单例类可以创建多个对象，枚举方式除外。有两种方式，分别是序列化和反射。
序列化和反序列化
public class Singleton implements Serializable {
private Singleton(){}
private static class SingletonHolder{
private static final Singleton INSTANCE=new Singleton();
}
public static Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// writeObjectToFile();
readObjectFromFile();
readObjectFromFile();
}
//从文件读取数据（对象）
public static void readObjectFromFile() throws Exception {
//1、创建对象输入流对象
ObjectInputStream ois =new ObjectInputStream(new FileInputStream("F:\\test.txt"));
//2、读取对象
Singleton instance=(Singleton) ois.readObject();
System.out.println(instance);
//3、释放资源
ois.close();
}
//从文件中写数据（对象）
public static void writeObjectToFile() throws Exception {
//1、获取Singleton对象
Singleton instance=Singleton.getInstance();
//2、创建对象输出流对象
ObjectOutputStream oos=new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("F:\\test.txt"));
//3、写对象
oos.writeObject(instance);
//4、释放资源
oos.close();
}
}
结果
com.ncu.pattern.singleton.demo7.Singleton@675d3402
com.ncu.pattern.singleton.demo7.Singleton@51565ec2
Process finished with exit code 0两个输出的INSTANCE不相等，说明单例模式已经被破坏掉了。说明序列化和反序列化已经破化列单例设计模式。
反射破坏单例模式
public class Singleton {
private Singleton(){}
private static class SingletonHolder{
private static final Singleton INSTANCE=new Singleton();
}
public static Singleton getInstance(){
return Singleton.SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
//使用反射破坏单例模式
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//1、获取Singleton的字节码对象
Class clazz=Singleton.class;
//2、获取无参构造方法对象
Constructor cons = clazz.getDeclaredConstructor();
//3、取消访问检查
cons.setAccessible(true);
//4、创建Singleton对象
Singleton s1=(Singleton) cons.newInstance();
Singleton s2=(Singleton) cons.newInstance();
System.out.println(s1==s2);
}
}
结果
false
Process finished with exit code 0 解决单例模式被破坏的问题
序列化、反序列方式破坏单例模式的解决方法
在Singleton类中添加readResolve（）方法，在反序列化时被反射调用，如果定义了这个方法就返回这个方法的值，如果没有定义，则返回新new出来的对象。
public class Singleton implements Serializable {
private Singleton(){}
private static class SingletonHolder{
private static final Singleton INSTANCE=new Singleton();
}
public static Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
//解决序列化、反序列化破坏单例模式,当进行反序列化时，会自动调用该方法，将该方法的返回值直接返回。
public Object readResolve(){
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// writeObjectToFile();
readObjectFromFile();
readObjectFromFile();
}
//从文件读取数据（对象）
public static void readObjectFromFile() throws Exception {
//1、创建对象输入流对象
ObjectInputStream ois =new ObjectInputStream(new FileInputStream("F:\\test.txt"));
//2、读取对象
Singleton instance=(Singleton) ois.readObject();
System.out.println(instance);
//3、释放资源
ois.close();
}
//从文件中写数据（对象）
public static void writeObjectToFile() throws Exception {
//1、获取Singleton对象
Singleton instance=Singleton.getInstance();
//2、创建对象输出流对象
ObjectOutputStream oos=new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("F:\\test.txt"));
//3、写对象
oos.writeObject(instance);
//4、释放资源
oos.close();
}
}
结果
com.ncu.pattern.singleton.demo7.Singleton@51565ec2
com.ncu.pattern.singleton.demo7.Singleton@51565ec2
Process finished with exit code 0
反射方式破解单例模式解决方法
public class Singleton {
private static boolean flag=false;
private Singleton(){
synchronized (Singleton.class) {
//判断flag的值是否为true，如果是true，说明非第一次访问，直接抛出一个异常，如果是false说明第一次访问
if (flag) {
throw new RuntimeException("不能创建多个对象");
}
flag = true;
}
}
private static class SingletonHolder{
private static final Singleton INSTANCE=new Singleton();
}
public static Singleton getInstance(){
return Singleton.SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
//使用反射破坏单例模式
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//1、获取Singleton的字节码对象
Class clazz=Singleton.class;
//2、获取无参构造方法对象
Constructor cons = clazz.getDeclaredConstructor();
//3、取消访问检查
cons.setAccessible(true);
//4、创建Singleton对象
Singleton s1=(Singleton) cons.newInstance();
Singleton s2=(Singleton) cons.newInstance();
System.out.println(s1==s2);
}
}
结果
Exception in thread "main" java.lang.reflect.InvocationTargetException
at java.base/jdk.internal.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method)
at java.base/jdk.internal.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(NativeConstructorAccessorImpl.java:62)
at java.base/jdk.internal.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45)
at java.base/java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:490)
at com.ncu.pattern.singleton.demo8.Client.main(Client.java:16)
Caused by: java.lang.RuntimeException: 不能创建多个对象
at com.ncu.pattern.singleton.demo8.Singleton.(Singleton.java:11)
... 5 more
Process finished with exit code 1
JDK源码中的单例模式-Runtime类
Runtime类就是使用的单例设计模式，从JDK源代码中可以看出Runtime类使用的是饿汉类（静态属性）方式来实现单例模式的。
Runtime类方法的使用
public class RuntimeDemo {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//获取Runtime类的对象
Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
//调用runtime的方法exec,参数要的是一个命令
Process process = runtime.exec("ipconfig");
//调用process对象的获取输入流的方法
InputStream is=process.getInputStream();
byte[] arr=new byte[1024*1024*100];
//读取数据
int len=is.read(arr);//返回读到的字节的个数
//将字节数转换为字符串输出到控制台
System.out.println(new String(arr,0,len,"GBK"));
}
}