张三影

2023-03-31 21:27 江西软件职业技术大学 Java

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Gof23-Singleton模式

1. 模式动机

对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要，例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID（序号）生成器。

如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。

一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

为了达到这个目的，必须设置构造器私有。

2. 模式定义

单例模式(Singleton Pattern)：单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。

单例模式的要点有三个：

一是某个类只能有一个实例；
二是它必须自行创建这个实例；
三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。

3. 模式结构

单例模式只有角色：

Singleton：单例

4. 模式分析

单例模式的目的是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。单例模式包含的角色只有一个，就是单例类——Singleton。单例类拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new关键字直接实例化它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法，该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。

在单例模式的实现过程中，需要注意如下三点：

单例类的构造函数为私有；
提供一个自身的静态私有成员变量；
提供一个公有的静态工厂方法。

5. 分类

5.1. 饿汉单例模式

饿汉单例模式是一种常见的单例模式，它在类加载时就创建了单例对象，因此也被称为“饿汉模式”。这种模式的优点是实现简单，线程安全，但缺点是可能会浪费一些内存空间，因为即使不需要使用该单例对象，它也会被创建。

public class Hungry {

    // 当这个对象拥有一个占用内存特别大的对象，那么会浪费很大一块内存空间
    private byte[] buffer = new byte[1024*100];

    static {
        System.out.println("饿汉单例初始化，即将创建单例对象");
    }
    // 在类加载的初始化阶段时，就创建实例
    private final static Hungry instance = new Hungry();

    // 设置构造器私有
    private Hungry() {
        System.out.println("饿汉单例执行构造方法");
    }

    public static Hungry getInstance() {
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Hungry instance = Hungry.getInstance();
        System.out.println(instance);
    }
}
/**
 * 运行结果：
 * 饿汉单例初始化，即将创建单例对象
 * 饿汉单例执行构造方法
 * basic.designpattern.singleton.Hungry@1b6d3586
 */

5.2. 懒汉单例模式

懒汉单例模式在第一次调用 getInstance 方法时，实例化 LazySingleton 对象，在类加载时并不自行实例化，这种技术称为延迟加载技术（Lazy Load），即在需要的时候进行加载实例。

这种模式的优点是节省内存空间，缺点是可能有线程安全的问题

单线程下，代码安全：

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;

    static {
        System.out.println("LazySingleton 初始化...");
    }

    // 构造器私有
    private LazySingleton() {
        System.out.println("LazySingleton 执行构造方法");
    }

    // 使用时才实例化对象
    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
        LazySingleton instance2 = LazySingleton.getInstance();
        System.out.println(instance);
        System.out.println(instance2);
    }
}
/**
 * 执行结果：
 * LazySingleton 初始化...
 * LazySingleton 执行构造方法
 * basic.designpattern.singleton.LazySingleton@1b6d3586
 * basic.designpattern.singleton.LazySingleton@1b6d3586
 */

可以看到只调用了一次构造方法，并且两个对象是相同的。

多线程环境下调用：

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;

    static {
        System.out.println("LazySingleton 初始化...");
    }

    // 构造器私有
    private LazySingleton() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "LazySingleton 执行构造方法");
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                LazySingleton.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}
/**
 * 执行结果：
 * LazySingleton 初始化...
 * Thread-0LazySingleton 执行构造方法
 * Thread-2LazySingleton 执行构造方法
 * Thread-1LazySingleton 执行构造方法
 */

可以看到，当在多线程环境下，可能多个线程同时调用getInstance()方法，并且同时调用了构造方法，导致生成多个实例对象。这就不满足单例了。

所以代码需要优化。

5.3. DCL双重检测锁懒汉模式

因为懒汉模式在多线程环境下不安全，无法满足单例，所以需要对代码进行优化加锁处理。

DCL懒汉模式是指在懒汉模式的基础上，加入了双重检测机制，保证了线程安全，同时也保证了效率。

DCL懒汉模式的实现方式是：在 getInstance() 方法中进行双重检查，第一次检查 instance 是否为 null，如果为 null，则进入同步代码块，再次检查 instance 是否为 null，如果还是 null，则创建实例。

DCL懒汉模式相对于懒汉模式来说，在多线程环境下更加安全，同时也不会影响程序的性能。

public class DCLLazySingleton {
    private static DCLLazySingleton instance;

    static {
        System.out.println("LazySingleton 初始化...");
    }

    // 构造器私有
    private DCLLazySingleton() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "LazySingleton 执行构造方法");
    }

    public static DCLLazySingleton getInstance() {
        // 第一重检测，如果instance为空，则进行加锁
        if (instance == null) {
            synchronized (DCLLazySingleton.class) {
                // 第二重检测，加锁完毕后，继续检测instance是否为空，如果为空才进行对象实例化
                if (instance == null) {
                    instance = new DCLLazySingleton(); // 不是原子化操作
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                DCLLazySingleton.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}
/**
 * 执行结果：
 * LazySingleton 初始化...
 * Thread-0LazySingleton 执行构造方法
 */

这个代码在极端环境下依旧可能出现错误，在JDK1.5之前，由于Java内存模型中存在缺陷，可能会导致DCL懒汉模式失效。这个缺陷是由于Java内存模型中存在的指令重排问题导致的。

在JDK1.5之后，Java内存模型得到了改进，DCL懒汉模式已经可以正常工作了。

为了解决这个问题，可以使用volatile关键字来修饰instance变量，保证其可见性和有序性。

什么是指令重排？

指令重排是指编译器或CPU为了优化程序的执行性能而对指令进行重新排序的一种手段。重排序会带来可见性问题，所以在多线程开发中必须要关注并规避重排序。

Java中，使用new关键字创建对象并不是一个原子性操作，它会经历这三个指令

分配内存空间
执行构造方法，初始化对象
把对象指向这块空间

如果CPU对这三个指令进行重拍，可能会有这样的顺序 1 -> 3 -> 2

回到刚刚的代码：

当线程A执行到同步代码块，执行new关键字实例化对象，此时CPU对new进行了指令重拍，1 -> 3 -> 2

线程A执行到3这个指令，instance变量已经指向一块空间，但对象还未初始化，此时线程B发现instance变量不为空，getInstacne()方法就直接返回了一个空对象。这就出现了线程安全问题。

为了解决这个问题，可以使用volatile关键字来修饰instance变量，保证其可见性和有序性。

volatile关键字：

在Java中，volatile关键字是一种轻量级的同步机制，它可以保证可见性和有序性。当一个变量被volatile修饰后，表示着线程本地内存无效，当一个线程修改共享变量后，它会立即被更新到主内存中，其他线程读取共享变量时，会直接从主内存中读取。

volatile关键字可以禁止指令重排，这是因为volatile关键字包含“禁止指令重排序”的语义。

public class DCLLazySingleton {
    private volatile static DCLLazySingleton instance;

    static {
        System.out.println("LazySingleton 初始化...");
    }

    // 构造器私有
    private DCLLazySingleton() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "LazySingleton 执行构造方法");
    }

    public static DCLLazySingleton getInstance() {
        // 第一重检测，如果instance为空，则进行加锁
        if (instance == null) {
            synchronized (DCLLazySingleton.class) {
                // 第二重检测，加锁完毕后，继续检测instance是否为空，如果为空才进行对象实例化
                if (instance == null) {
                    instance = new DCLLazySingleton(); // 不是原子化操作
                    /**
                     * 1.分配内存空间
                     * 2.执行构造方法，初始化对象
                     * 3.把对象指向这块空间
                     */
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                DCLLazySingleton.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}
/**
 * 执行结果：
 * LazySingleton 初始化...
 * Thread-0LazySingleton 执行构造方法
 */

5.4. 静态内部类实现单例模式

静态内部类实现单例模式是一种常见的单例模式实现方式。在Java中，静态内部类不会在外部类加载时被加载，只有在第一次使用时才会被加载，这种方式可以保证线程安全性和延迟加载。

public class HolderSingleton {

    static {
        System.out.println("HolderSingleton类加载中，初始化....");
    }
    public HolderSingleton() {
        System.out.println("HolderSingleton构造方法执行");
    }

    public static Inner getInstance() {
        return Inner.instance;
    }

    /**
     * 静态内部类不会在外部类加载时被加载，只有在第一次使用时才会被加载
     */
    private static class Inner {
        static {
            System.out.println("Inner类加载中，初始化....");
        }
        private static Inner instance = new Inner();
        // 私有构造方法
        private Inner() {
            System.out.println("调用静态内部类构造方法");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Inner instance = HolderSingleton.getInstance();
        Inner instance1 = HolderSingleton.getInstance();

        System.out.println(instance1);
        System.out.println(instance);

    }
}
/**
 * HolderSingleton类加载中，初始化....
 * Inner类加载中，初始化....
 * 调用静态内部类构造方法
 * basic.designpattern.singleton.HolderSingleton$Inner@1b6d3586
 * basic.designpattern.singleton.HolderSingleton$Inner@1b6d3586
 */

5.4. 使用反射破坏单例

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
        DCLLazySingleton lazy1 = DCLLazySingleton.getInstance();

        Constructor<DCLLazySingleton> constructor = DCLLazySingleton.class.getDeclaredConstructor(null);
        // 无视构造器的private修饰
        constructor.setAccessible(true);
        DCLLazySingleton lazy2 = constructor.newInstance();

        System.out.println(lazy1);
        System.out.println(lazy2);
    }
}
/**
 * LazySingleton 初始化...
 * mainLazySingleton 执行构造方法
 * mainLazySingleton 执行构造方法
 * basic.designpattern.singleton.DCLLazySingleton@1b6d3586
 * basic.designpattern.singleton.DCLLazySingleton@4554617c
 */

如何应对：

在构造方法中加对象锁，

public class DCLLazySingleton {
    // 使用volatile关键字保证可见性和有序性
    private volatile static DCLLazySingleton instance;

    static {
        System.out.println("LazySingleton 初始化...");
    }

    // 构造器私有
    private DCLLazySingleton() {

        synchronized (DCLLazySingleton.class) {
            if (instance != null) {
                throw new RuntimeException("请不要使用反射破坏单例");
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "LazySingleton 执行构造方法");
    }

    public static DCLLazySingleton getInstance() {
        // 第一重检测，如果instance为空，则进行加锁
        if (instance == null) {
            synchronized (DCLLazySingleton.class) {
                // 第二重检测，加锁完毕后，继续检测instance是否为空，如果为空才进行对象实例化
                if (instance == null) {
                    instance = new DCLLazySingleton(); // 不是原子化操作
                    /**
                     * 1.分配内存空间
                     * 2.执行构造方法，初始化对象
                     * 3.把对象指向这块空间
                     */
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

再次破坏：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
//        DCLLazySingleton lazy1 = DCLLazySingleton.getInstance();

        Constructor<DCLLazySingleton> constructor = DCLLazySingleton.class.getDeclaredConstructor(null);
        // 无视构造器的private修饰
        constructor.setAccessible(true);
        // 使用反射生成的构造器破坏
        DCLLazySingleton lazy2 = constructor.newInstance();
        DCLLazySingleton lazy1 = constructor.newInstance();

        System.out.println(lazy1);
        System.out.println(lazy2);

    }
}
/**
 * LazySingleton 初始化...
 * mainLazySingleton 执行构造方法
 * mainLazySingleton 执行构造方法
 * basic.designpattern.singleton.DCLLazySingleton@1b6d3586
 * basic.designpattern.singleton.DCLLazySingleton@4554617c
 */

如何应对：

通过使用红绿灯的方法，添加一个隐藏变量

public class DCLLazySingleton {
    // 使用volatile关键字保证可见性和有序性
    private volatile static DCLLazySingleton instance;

    static {
        System.out.println("LazySingleton 初始化...");
    }
    private static boolean flag = false;

    // 构造器私有
    private DCLLazySingleton() {

        synchronized (DCLLazySingleton.class) {
            if (flag == false) {
                flag = true;
            } else {
                throw new RuntimeException("请不要使用反射破坏单例");
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "LazySingleton 执行构造方法");
    }

    public static DCLLazySingleton getInstance() {
        // 第一重检测，如果instance为空，则进行加锁
        if (instance == null) {
            synchronized (DCLLazySingleton.class) {
                // 第二重检测，加锁完毕后，继续检测instance是否为空，如果为空才进行对象实例化
                if (instance == null) {
                    instance = new DCLLazySingleton(); // 不是原子化操作
                    /**
                     * 1.分配内存空间
                     * 2.执行构造方法，初始化对象
                     * 3.把对象指向这块空间
                     */
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

测试：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
//        DCLLazySingleton lazy1 = DCLLazySingleton.getInstance();

        Constructor<DCLLazySingleton> constructor = DCLLazySingleton.class.getDeclaredConstructor(null);
        // 无视构造器的private修饰
        constructor.setAccessible(true);
        // 使用反射生成的构造器破坏
        DCLLazySingleton lazy2 = constructor.newInstance();
        DCLLazySingleton lazy1 = constructor.newInstance();

        System.out.println(lazy1);
        System.out.println(lazy2);

    }
}
/**
 * LazySingleton 初始化...
 * mainLazySingleton 执行构造方法
 * 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 basic.designpattern.singleton.Test.main(Test.java:21)
 * Caused by: java.lang.RuntimeException: 请不要使用反射破坏单例
 * 	at basic.designpattern.singleton.DCLLazySingleton.<init>(DCLLazySingleton.java:25)
 * 	... 5 more
 */

再次破坏：

假设知道了隐藏变量的名称：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException, NoSuchFieldException {
//        DCLLazySingleton lazy1 = DCLLazySingleton.getInstance();

        Field flag = DCLLazySingleton.class.getDeclaredField("flag");
        // 破坏flag的private修饰
        flag.setAccessible(true);

        Constructor<DCLLazySingleton> constructor = DCLLazySingleton.class.getDeclaredConstructor(null);
        // 无视构造器的private修饰
        constructor.setAccessible(true);
        // 使用反射生成的构造器破坏
        DCLLazySingleton lazy2 = constructor.newInstance();
        // 将值设置会false
        flag.set(lazy2, false);

        DCLLazySingleton lazy1 = constructor.newInstance();

        System.out.println(lazy1);
        System.out.println(lazy2);

    }
}
/**
 * LazySingleton 初始化...
 * mainLazySingleton 执行构造方法
 * mainLazySingleton 执行构造方法
 * basic.designpattern.singleton.DCLLazySingleton@74a14482
 * basic.designpattern.singleton.DCLLazySingleton@1540e19d
 */

5.5. 使用序列化破坏单例

public class TestSerializable {

    public static void main(String[] args) {
        DCLLazySingleton instance = DCLLazySingleton.getInstance();

        System.out.println("====");

        try {
            ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("obj.txt"));
            ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("obj.txt"));
            objectOutputStream.writeObject(instance);
            Object o = objectInputStream.readObject();

            System.out.println(instance);
            System.out.println(o);
            System.out.println(instance == o);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
/**
 * LazySingleton 初始化...
 * mainLazySingleton 执行构造方法
 * ====
 * basic.designpattern.singleton.DCLLazySingleton@27973e9b
 * basic.designpattern.singleton.DCLLazySingleton@312b1dae
 * false
 */

5.6. 枚举实现单例模式

枚举是在JDK1.5以及以后版本中增加的一个“语法糖”，它主要用于维护一些实例对象固定的类。例如一年有四个季节，就可以将季节定义为一个枚举类型，然后在其中定义春、夏、秋、冬四个季节的枚举类型的实例对象。按照Java语言的命名规范，通常，枚举的实例对象全部采用大写字母定义，这一点与Java里面的常量是相同的。

因为Java虚拟机会保证枚举对象的唯一性，因此每一个枚举类型和定义的枚举变量在JVM中都是唯一的。

public enum EnumSingleton {
    SINGLETON;
  
    static {
        System.out.println("EnumSingleton初始化");
    }

    private EnumSingleton() {

    }

    public static EnumSingleton getInstance() {
        return SINGLETON;
    }

    public static void main(String[] args) {
        EnumSingleton instance = EnumSingleton.getInstance();
        System.out.println(instance);
    }
}
/**
 * EnumSingleton初始化
 * SINGLETON
 */

枚举实现的单例模式不会受到反射和序列化的影响。

6. 优点

提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它，并为设计及开发团队提供了共享的概念。
由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能。
允许可变数目的实例。我们可以基于单例模式进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。

7. 缺点

由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致对象状态的丢失。