Day43.单例模式 - 懒汉式、饿汉式、枚举式

目录

关于单例模式(Singleton)

饿汉式(Hungry)

1、懒汉式(LazyMan)

2、DCL懒汉式 -- 双重检测锁模式

3、使用volatile防止指令重排

4、通过反射、序列化破坏单例模式

 枚举式(EnumSingle)

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Java 中一般认为有 23 种设计模式，我们不需要所有的都会，但是其中常用的几种设计模式应该去掌握。总体来说设计模式分为三大类：

创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。

结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

关于单例模式(Singleton)

单例模式(Singleton Pattern) - 保证一个类仅有一个对象，并提供一个它的全局访问点

单例模式是指在内存中只会创建且仅创建一次对象的设计模式。在程序中多次使用同一个对象且作用相同时，为了防止频繁地创建对象使得内存飙升，单例模式可以让程序仅在内存中创建一个对象，让所有需要调用的地方都共享这一单例对象。

常见应用场景：

1. Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式
2. windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。
3. 项目中，读取配置文件的类，一般也只有一个对象。没有必要每次使用配置文件数据，每次new一个对象去读取。
4. 网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。
5. 应用程序的日志应用，一般都何用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作否则内容不好追加。
6. 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。
7. 操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。
8. Application 也是单例的典型应用（Servlet编程中会涉及到）
9. 在Spring中，每个Bean默认就是单例的，这样做的优点是Spring容器可以管理
10. 在servlet编程中，每个Servlet也是单例
11. 在spring MVC框架/struts1框架中，控制器对象也是单例
12. 一个产品注册了一个商标，那么它就是单例的

单例模式的优点：

1. 由于单例模式只生成一个实例，减少了系统性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动 时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决
2. 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化环共享资源访问，例如可以设计 一个单例类，负责所有数据表的映射处理
    

单例模式的类型(待补充)：

• 饿汉式：在类加载时已经创建好该单例对象，等待被程序使用
• 懒汉式：在真正需要使用对象时才去创建该单例类对象
• 枚举式：枚举本身就是单例模式，线程安全，实现简单，调用效率高，不能延时加载。

一、饿汉式(Hungry)

饿汉式在类加载时已经创建好该对象，在程序调用时直接返回该单例对象即可，即我们在编码时就已经指明了要马上创建这个对象，不需要等到被调用时再去创建。

public class hungry {
    // jvm保证在任何线程访问uniqueInstance静态变量之前一定先创建了此实例 
    private final static hungry HUNGRY = new hungry();

    // 私有构造器，外界无法实例化
    private hungry(){}

    // 提供全局访问点获取唯一的实例
    public hungry getHungry(){
        return HUNGRY;
    }
}

• 存在的问题：可能会浪费内存空间

二、懒汉式(LazyMan)

懒汉式--在使用时候才去实例化单例对象

public class lazyMan {
    private lazyMan(){}
    private static lazyMan LazyMan;
    public static lazyMan getLazyMan(){
        //对象唯一
        if(LazyMan==null){    
            LazyMan = new lazyMan();
        }
        return LazyMan;
    }
}

• 安全问题 

 但由于创建对象并非原子性操作，多线程并发可能会创建多个对象，我们需要进一步优化

2、DCL懒汉式 -- 双重检测锁模式

• DCL：Double Check(双重校验) + Lock(加锁)

    public static lazyMan getLazyMan(){
    //多线程同时看到LazyMan==null,如果不为null,则直接返回LazyMan
        if(LazyMan==null){
            synchronized (lazyMan.class){
                if(LazyMan==null){
                    //其中一个线程进入，另一个则检测已不为null
                    LazyMan = new lazyMan();    //不是原子性操作
                    /**
                     * 1、分配内存空间
                     * 2、执行方法构造，初始化内存
                     * 3、把这个对象指向这个空间
                     * 1,3,2  A
                     * 若此时 B 进入,LazyMan还没完成构造,代码仍存在问题
                     */
                }
            }
        }
        return LazyMan;
    }

但由于创建对象并非原子性操作，以上代码还存在问题，指令重排。

3、使用volatile防止指令重排

• 指令重排序是指：JVM在保证最终结果正确的情况下，可以不按照程序编码的顺序执行语句，尽可能提高程序的性能

创建对象时，在JVM会经过三步：

（1）分配内存空间
（2）执行方法构造，初始化内存
（3）将对象指向分配好的这个空间

如果A线程创建对象的步骤为1、3、2，B线程在执行完1、3后进入，判定到LazyMan已不为空，return 获取到未初始化的LazyMan对象，则会造成空指针异常。

• volatile

使用volatile关键字修饰的变量，可以保证其指令执行的顺序与程序指明的顺序一致，不会发生顺序变换。

volatile还有第二个作用：使用volatile关键字修饰的变量，可以保证其内存可见性，即每一时刻线程读取到该变量的值都是内存中最新的那个值，线程每次操作该变量都需要先读取该变量。

• 最终代码：

public class lazyMan {

    private lazyMan(){}

    private static volatile lazyMan LazyMan; //volatile防止指令重排

    public static lazyMan getLazyMan(){
        if(LazyMan==null){
            synchronized (lazyMan.class){
                if(LazyMan==null){
                    LazyMan = new lazyMan();
                }
            }
        }
        return LazyMan;
    }
}

4、通过反射、序列化破坏单例模式

但由于反射和序列化的存在，他们依然可以将单例对象破坏(产生多个对象)，造成安全问题。

1：演示利用反射破坏单例模式

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 获取类的显式构造器
    Constructor lazyManConstructor = lazyMan.class.getDeclaredConstructor();
    // 可访问私有构造器
    lazyManConstructor.setAccessible(true);
    // 利用反射构造新对象
    lazyMan lazyMan = lazyManConstructor.newInstance();
    lazyMan lazyMan2 =lazyManConstructor.newInstance();
    System.out.println(lazyMan == lazyMan2); //false
}

2：利用序列化与反序列化破坏单例模式

public static void main(String[] args) {
    // 创建输出流
    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("lazyMan.file"));
    // 将单例对象写到文件中
    oos.writeObject(Singleton.getInstance());
    // 从文件中读取单例对象
    File file = new File("lazyMan.file");
    ObjectInputStream ois =  new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
    lazyMan newInstance = (lazyMan) ois.readObject();
    // 判断是否是同一个对象
    System.out.println(newInstance == lazyMan.getInstance()); // false
}

三、枚举式(EnumSingle)

在 JDK1.5 后，使用 Java 语言实现单例模式的方式又多了一种：枚举

// enum 本身也是一个Class类
public enum EnumSingle {
    //定义一个枚举的元素，它就代表了Singleton的一个实例。
    INSTANCE;

    //对外部提供调用方法：将创建的对象返回，只能通过类来调用
    public void otherMethod(){
        //功能处理
    }
    public static void main(String[] args) {
        EnumSingle i1 = EnumSingle.INSTANCE;
        EnumSingle i2 = EnumSingle.INSTANCE;
        System.out.println(i1==i2); //true
    }
}

（1）防反射：在利用反射调用 newInstance() 时，会判断该类是否是一个枚举类，如果是，则抛出异常。newInstance()源码：

•  Cannot reflectively create enum objects  - 不能反射地创建enum对象

（2）防止反序列化:  在读入Singleton对象时，每个枚举类型和枚举名字都是唯一的，所以在序列化时，仅仅只是对枚举的类型和变量名输出到文件中，在读入文件反序列化成对象时，利用 Enum 类的 valueOf(String name) 方法根据变量的名字查找对应的枚举对象。

所以，在序列化和反序列化的过程中，只是写出和读入了枚举类型和名字，没有任何关于对象的操作。

小总结：

（1）Enum 类内部使用Enum 类型判定防止通过反射创建多个对象

（2）Enum 类通过写出（读入）对象类型和枚举名字将对象序列化（反序列化），通过 valueOf() 方法匹配枚举名找到内存中的唯一的对象实例，防止通过反序列化构造多个对象

（3）枚举类不需要关注线程安全、破坏单例和性能问题，因为其创建对象的时机与饿汉式单例有异曲同工之妙。

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参考：https://blog.csdn.net/weixin_41949328/article/details/107296517