多线程下的单例设计模式（新手必看！！！）
在项目中为了避免创建大量的对象，频繁出现gc的问题，单例设计模式闪亮登场。
一、饿汉式
1.1饿汉式
顾名思义就是我们比较饿，每次想吃的时候，都提前为我们创建好。其实我记了好久也没分清楚饿汉式和懒汉式的区别。这里给出我的一个记忆方法：懒汉式就是懒加载，什么是懒加载呢？就是我们需要的时候给创建对象就行，稍后介绍懒汉式的时候你会发现这个现象。
1.2饿汉式的特点
线程安全，但是如果一个项目需要创建大量的对象的时候，当项目运行的时候，会创建大量我们暂时用不到的对象。
1.3饿汉式代码
package singletonModel;
public class HungrySingleton {
public static HungrySingleton instance=new HungrySingleton();
private HungrySingleton(){}
public static HungrySingleton getInstance(){
return instance;
}
}
1.4多线程下测试
package Test;
import singletonModel.DoubleLockSingleton;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class SingletonTest {
public static void main(String[] args) {
// 使用AtomicReference来存储第一次获取到的LazySingleton实例
AtomicReference<DoubleLockSingleton> singletonInstance = new AtomicReference<>();
// 我们将启动大量线程来尝试突破单例的线程安全性
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
// 用于发现多个实例创建的标志
AtomicReference<Boolean> flag = new AtomicReference<>(false);
// 提交多个任务到线程池，尝试并发地获取单例实例
for (int i = 0; i < 100; i++) {
executorService.submit(() -> {
DoubleLockSingleton instance = DoubleLockSingleton.getInstance();
// 如果原子引用为空，我们设置当前实例
if (singletonInstance.get() == null) {
singletonInstance.set(instance);
} else if (singletonInstance.get() != instance) {
// 如果原子引用中的实例与当前获取的实例不同，说明存在多个实例
flag.set(true);
System.out.println("Detected multiple instances!");
}
});
}
executorService.shutdown();
// 等待所有任务完成
while (!executorService.isTerminated()) {
// 等待所有线程执行完毕
}
if (flag.get().equals(false)) {
System.out.println("No multiple instances detected!");
}
}
}
1.5运行结果
通过实验证明，饿汉式在多线程环境下是线程安全的！
二、懒汉式
2.1懒汉式
顾名思义比较懒，叫我们的时候，我们在穿衣服去干活，即完成对象的创建的过程。
2.2懒汉式的特点
需要的时候，才为我们创建，能够避免在项目启动的时候，创建大量的无用对象，减少GC。缺点就是多线程操作下线程不安全！
2.3懒汉式代码
package singletonModel;
public class LazySingleton {
private static LazySingleton lazyInstance;
private LazySingleton(){}
public static LazySingleton getInstance(){
if(lazyInstance==null){
lazyInstance= new LazySingleton();
}
return lazyInstance;
}
}
2.4多线程下测试
package Test;
import singletonModel.LazySingleton;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class SingletonTest {
public static void main(String[] args) {
// 使用AtomicReference来存储第一次获取到的LazySingleton实例
AtomicReference<LazySingleton> singletonInstance = new AtomicReference<>();
// 我们将启动大量线程来尝试突破单例的线程安全性
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
// 用于发现多个实例创建的标志
AtomicReference<Boolean> flag = new AtomicReference<>(false);
// 提交多个任务到线程池，尝试并发地获取单例实例
for (int i = 0; i < 100; i++) {
executorService.submit(() -> {
LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
// 如果原子引用为空，我们设置当前实例
if (singletonInstance.get() == null) {
singletonInstance.set(instance);
} else if (singletonInstance.get() != instance) {
// 如果原子引用中的实例与当前获取的实例不同，说明存在多个实例
flag.set(true);
System.out.println("Detected multiple instances!");
}
});
}
executorService.shutdown();
// 等待所有任务完成
while (!executorService.isTerminated()) {
// 等待所有线程执行完毕
}
if (flag.get().equals(false)) {
System.out.println("No multiple instances detected!");
}
}
}
上述代码需要多次测试，就能够测试出线程不安全的！
2.5测试结果
测试证明懒汉式在多线程操作下是线程不安全的！
2.6具体原因
具体的原因就是发生在下图的位置：即多线程环境下，不知线程哪个执行快慢，即存在两个线程A，B，线程A在进入if语句的时候，判断为空，然后完成对象的创建，但是对象的创建也需要一定时间，这个时候线程B也进入if判断，当前线程A还没有创建好，则判断为null，同时也完成对象的创建，这时候线程A，B创建的对象就不是同一个对象了。也就是线程不安全的了，即不满足原子性，可见性，有序性。
三、懒汉式方案修补方案一
为了保证线程安全，即满足原子性，可见性，有序性。我们首先想到的就是加锁！
由于getInstance方法为static修饰的方式，我们加了synchronized后，锁住的是当前的类，即加的类锁。即多线程操作该类的时候，只有1个线程操作成功！
3.1代码
package singletonModel;
public class RLazySingleton {
static RLazySingleton instance;
private RLazySingleton(){
}
synchronized public static RLazySingleton getInstance(){
if(instance==null){
instance=new RLazySingleton();
}
return instance;
}
}
3.2多线程测试代码
package Test;
import singletonModel.RLazySingleton;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class SingletonTest {
public static void main(String[] args) {
// 使用AtomicReference来存储第一次获取到的LazySingleton实例
AtomicReference<RLazySingleton> singletonInstance = new AtomicReference<>();
// 我们将启动大量线程来尝试突破单例的线程安全性
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
// 用于发现多个实例创建的标志
AtomicReference<Boolean> flag = new AtomicReference<>(false);
// 提交多个任务到线程池，尝试并发地获取单例实例
for (int i = 0; i < 100; i++) {
executorService.submit(() -> {
RLazySingleton instance = RLazySingleton.getInstance();
// 如果原子引用为空，我们设置当前实例
if (singletonInstance.get() == null) {
singletonInstance.set(instance);
} else if (singletonInstance.get() != instance) {
// 如果原子引用中的实例与当前获取的实例不同，说明存在多个实例
flag.set(true);
System.out.println("Detected multiple instances!");
}
});
}
executorService.shutdown();
// 等待所有任务完成
while (!executorService.isTerminated()) {
// 等待所有线程执行完毕
}
if (flag.get().equals(false)) {
System.out.println("No multiple instances detected!");
}
}
}
3.3测试结果
实验结果证明：这种测试代码也是线程安全的！
3.4存在的问题
通过在getInstance()方法上添加synchronized关键字，可以强制每次只有一个线程能够访问方法，从而避免竞态条件。但这样做会影响性能，因为每次访问都需要进行同步。
四、双重锁检测方案
解决每次访问都需要进行同步的问题。
4.1代码
package singletonModel;
public class DoubleLockSingleton {
private static DoubleLockSingleton instance;
private DoubleLockSingleton(){
}
public static DoubleLockSingleton getInstance(){
if(instance==null){
synchronized (DoubleLockSingleton.class){
if(instance==null){
instance=new DoubleLockSingleton();
}
}
}
return instance;
}
}
4.2测试代码
package Test;
import singletonModel.DoubleLockSingleton;
import singletonModel.RLazySingleton;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class SingletonTest {
public static void main(String[] args) {
// 使用AtomicReference来存储第一次获取到的LazySingleton实例
AtomicReference<RLazySingleton> singletonInstance = new AtomicReference<>();
// 我们将启动大量线程来尝试突破单例的线程安全性
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
// 用于发现多个实例创建的标志
AtomicReference<Boolean> flag = new AtomicReference<>(false);
// 提交多个任务到线程池，尝试并发地获取单例实例
for (int i = 0; i < 100; i++) {
executorService.submit(() -> {
RLazySingleton instance = RLazySingleton.getInstance();
// 如果原子引用为空，我们设置当前实例
if (singletonInstance.get() == null) {
singletonInstance.set(instance);
} else if (singletonInstance.get() != instance) {
// 如果原子引用中的实例与当前获取的实例不同，说明存在多个实例
flag.set(true);
System.out.println("Detected multiple instances!");
}
});
}
executorService.shutdown();
// 等待所有任务完成
while (!executorService.isTerminated()) {
// 等待所有线程执行完毕
}
if (flag.get().equals(false)) {
System.out.println("No multiple instances detected!");
}
}
}
测试结果
实验结果也是线程安全的。
五、其他线程安全的写法
5.1静态内部类
public class StaticInnerClassSingleton {
private static class LazyHolder {
private static final StaticInnerClass INSTANCE = new StaticInnerClass();
}
private StaticInnerClass(){}
public static StaticInnerClass getInstance(){
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}
5.2枚举类
package singletonModel;
public enum EnumSingleton {
Instance;
public void getInstance(){
System.out.println("枚举类创建对象");
}
}
六、总结
在Java中，使用枚举（enum）实现的单例模式是唯一能够抵御反射攻击的方式，因为枚举类型没有构造方法（在字节码层面是有私有构造器的，但这是由编译器自己添加的），所以无法通过反射来实例化枚举类型。
枚举攻击！！！：
import java.lang.reflect.Constructor;
public class ReflectionSingletonAttack {
public static void main(String[] args) {
Singleton instanceOne = Singleton.getInstance();
Singleton instanceTwo = null;
try {
// 获取Singleton类的构造函数
Constructor[] constructors = Singleton.class.getDeclaredConstructors();
for (Constructor constructor : constructors) {
// 设置构造函数的访问权限为可访问
constructor.setAccessible(true);
// 使用构造函数创建一个新的Singleton实例
instanceTwo = (Singleton) constructor.newInstance();
break;
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印两个实例的哈希码
System.out.println("Instance 1 hash:" + instanceOne.hashCode());
System.out.println("Instance 2 hash:" + instanceTwo.hashCode());
}
}
枚举类单例模式抵挡枚举攻击
import java.lang.reflect.Constructor;
public class EnumReflectionAttack {
public static void main(String[] args) {
EnumSingleton instanceOne = EnumSingleton.INSTANCE;
EnumSingleton instanceTwo = null;
try {
Constructor[] constructors = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructors();
for (Constructor constructor : constructors) {
constructor.setAccessible(true);
instanceTwo = (EnumSingleton) constructor.newInstance();
break;
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Instance 1 hash:" + instanceOne.hashCode());
System.out.println("Instance 2 hash:" + (instanceTwo != null ? instanceTwo.hashCode() : "instance creation failed"));
}
}
在运行此代码时，您会收到类似以下的异常：
java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
因此，使用枚举的方式创建单例是安全的，它有效地防止了反射攻击以及解决了序列化问题。这也是为什么很多推荐使用枚举方式来实现单例模式的原因之一。