单例模式的运用

一、介绍

单例模式：属于创建型模式，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，不需要实例化该类的对象。

单例设计模式分类两种：

• 饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建。

• 懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建。

二、饿汉式

2.1 静态变量方式

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并创建Singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。

/*** 静态变量创建类的对象*/
public class Singleton {// 私有类的无参构造private Singleton() {}// 给本类创建一个新的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰private static Singleton instance = new Singleton();// 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法public static Singleton getInstance(){return instance;}
}public static void main(String[] args) {// 重复调用Singletion类的getInstance方法Singleton instance1 = Singleton.getInstance();Singleton instance2 = Singleton.getInstance();// 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

2.2 静态代码块方式

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，而对象的创建是在静态代码块中，也是对着类的加载而创建。所以和饿汉式的静态变量方式基本上一样，当然该方式也存在内存浪费问题。

/*** 静态变量创建类的对象*/
public class Singleton {// 私有的构造方法private Singleton(){}// 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰private static Singleton instance;//null// 在静态代码块中进行赋值，创建Singleton的对象static{instance = new Singleton();}// 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法public static Singleton getInstance() {return instance;}
}public static void main(String[] args) {// 重复调用Singletion类的getInstance方法Singleton instance1 = Singleton.getInstance();Singleton instance2 = Singleton.getInstance();// 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

2.3 枚举方式

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，并且只会加载一次，枚举类型是所用单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式。

/*
* 枚举方式
* 枚举方式属于恶汉式方式
**/
public enum Singleton {INSTANCE;
}public static void main(String[] args) {// 重复调用Singletion枚举类的INSTANCESingleton instance1 = Singleton.INSTANCE;Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;System.out.println(instance1 == instance2);
}

三、懒汉式

3.1 线程不安全方式

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，当调用getInstance()方法获取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，在多线程环境，出现线程安全问题。

/*** 线程不安全*/ 
public class Singleton {// 私有的构造方法private Singleton(){}// 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰private static Singleton instance;//null// 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法public static Singleton getInstance() {// 判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象// 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可if(instance == null){instance = new Singleton();}return instance;}
}public static void main(String[] args) {// 重复调用Singletion类的getInstance方法Singleton instance1 = Singleton.getInstance();Singleton instance2 = Singleton.getInstance();// 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

3.2 线程安全方式

该方式也实现了懒加载效果，同时又解决了线程安全问题。但是在getInstance()方法上添加了synchronized关键字，导致该方法的执行效果特别低。在初始化instance的时候才会出现线程安全问题，一旦初始化完成就不存在该问题了。

/*** 线程安全*/ 
public class Singleton {// 私有的构造方法private Singleton(){}// 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰private static Singleton instance;//null// 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法public static synchronized Singleton getInstance() {// 判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象// 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可if(instance == null){// 加锁前，线程1、2都进入到该位置，此时就会出现创建多个对象的情况// 加锁后，线程1进入，线程2会在外面等待线程1运行完毕，释放锁后才继续执行instance = new Singleton();}return instance;}
}public static void main(String[] args) {// 重复调用Singletion类的getInstance方法Singleton instance1 = Singleton.getInstance();Singleton instance2 = Singleton.getInstance();// 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

3.3 双重检查锁方式

该方式对懒汉模式中加锁的问题做出变化，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。

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。

/*
* 双重检查锁
* 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，能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题
**/
public class Singleton {// 私有的构造方法private Singleton(){}// 给本类声明Singleton类型的变量，并用私有化无法访问，使用静态关键字static来修饰private static volatile Singleton instance;//null// 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法public static Singleton getInstance() {// 第一次判断，判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象，不需要抢占锁// 如果不为空，说明已将创建过，返回对象即可，读操作直接返回，没有加锁if(instance == null){// 第二次判断，写操作需要加锁synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
}public static void main(String[] args) {// 重复调用Singletion类的getInstance方法Singleton instance1 = Singleton.getInstance();Singleton instance2 = Singleton.getInstance();// 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

3.4 静态内部类方式

该方式的实例由内部类创建，由于 JVM 在加载外部类的过程中，是不会加载静态内部类的，只有内部类的属性/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。

静态内部类方式在没有加任何锁的情况下，保证线程安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。

/*
* 静态内部类方式
* 第一次加载Singleton类时不会去初始化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。
**/
public class Singleton {// 私有的构造方法private Singleton(){}//定义一个静态内部类private static class SingletonHolder {//在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}// 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法public static Singleton getInstance() {// 内部类直接调用对象return SingletonHolder.INSTANCE;}
}public static void main(String[] args) {// 重复调用Singletion类的getInstance方法Singleton instance1 = Singleton.getInstance();Singleton instance2 = Singleton.getInstance();// 判断获取的两个对象是否为同一个对象，即申请的内存地址是否相同，来证明单例模式System.out.println(instance1 == instance2);//true
}

四、破坏单例模式

4.1 序列化破坏

代码运行结果是false，表明序列化和反序列化已经破坏了单例设计模式。

对象里面的值是一样的，只不过对象的引用不一样，相当于是两个对象，涉及到了深拷贝

/*** 静态内部类方式的单列模式*/
public class Singleton implements Serializable {// 私有的构造方法private Singleton(){}//定义一个静态内部类private static class SingletonHolder {//在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}// 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法public static Singleton getInstance() {// 内部类直接调用对象return SingletonHolder.INSTANCE;}
}public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {
//        writeObjectToFile();Singleton s1 = readObjectFromFile();Singleton s2 = readObjectFromFile();System.out.println(s1 == s2);}// 使用序列化向文件中写数据（对象）private static void writeObjectToFile() throws IOException {// 获取Singleton对象Singleton instance = Singleton.getInstance();// 创建对象输出流对象ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\a.txt"));// 将对象写入objectOutputStream.writeObject(instance);// 释放资源objectOutputStream.close();}// 使用反序列化读取文件的数据（对象）private static Singleton readObjectFromFile() throws Exception {// 创建对象输入流对象ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\a.txt"));// 读取对象Singleton instance = (Singleton) objectInputStream.readObject();System.out.println(instance);// 释放资源objectInputStream.close();return instance;}
}

4.2 序列化破坏解决办法

想要解决序列化、反序列化对单例模式的破坏，我们需要在Singleton类中添加readResolve()方法，在其被反序列化时调用，返回这个方法的值（对象）。 原理是在输入流对象的readObject方法的底层实现中，如果发现输入的是对象类型， 则会调用readOrdinaryObject方法，该方法中会自动执行hasReadResolveMethod方法，来判断类中是否有readResolve方法，如果有，则会去执行invokeReadResolve方法来获取类中专门提供的实例，从而解决反序列化破坏单例模式的问题。

// 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;
}

4.3 反射破坏

代码运行结果是false，表明反射已经破坏了单例设计模式。

/*** 静态内部类方式的单列模式*/
public class Singleton implements Serializable {// 私有的构造方法private Singleton(){}//定义一个静态内部类private static class SingletonHolder {//在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}// 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法public static Singleton getInstance() {// 内部类直接调用对象return SingletonHolder.INSTANCE;}
}public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 获取Singleton字节码对象Class<Singleton> singletonClass = Singleton.class;// 获取无参构造方法对象Constructor<Singleton> declaredConstructor = singletonClass.getDeclaredConstructor();// 取消访问检查declaredConstructor.setAccessible(true);// 创建Singleton对象Singleton s1 = (Singleton) declaredConstructor.newInstance();Singleton s2 = (Singleton) declaredConstructor.newInstance();// 结果返回false，说明反射破坏了单例模式System.out.println(s1 == s2);}
}

4.4 反射破坏解决办法

当通过反射方式调用构造方法进行创建创建时，直接抛异常。不运行此次操作。

/*** 静态内部类方式的单列模式*/
public class Singleton {// 定义一个flag判断是否已经创建过对象private static boolean flag = false;// 给私有构造方法添加锁，预防线程安全问题private Singleton(){synchronized(Singleton.class){// flag为false则跳过，直接正常创建，若flag为true，说明已经创建过，抛出异常if(flag){throw new RuntimeException("不能创建多个对象");}// 第一次创建后，应该将flag设置为trueflag = true;}}//定义一个静态内部类private static class SingletonHolder {//在内部类中声明Singleton类型的变量并初始化外部类的对象，并用私有化无法访问，使用静态关键字static和final来修饰private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}// 提供一个公共的访问方式，由于外界无法创建Singleton对象，无法调用非静态的方法，所以设计为静态的方法public static Singleton getInstance() {// 内部类直接调用对象return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

记录每一个学习瞬间