单例模式
有些对象我们只需要一个,比如线程池、ServletContext、ApplicationContext、 Windows 中的回收站,此时我们便可以用到单例模式。
单例模式就是确保一个类在任何情况下都只有一个实例,并提供一个全局访问点。
1. 饿汉式单例
/**
* @author 蝉沐风
* 饿汉式单例
*/
public class HungrySingleton {
//类初始化的时候便进行对象实例化
private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getInstance() {
return hungrySingleton;
}
}
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优点:
缺点:
某些情况下,造成内存浪费,因为对象未被使用的情况下就会被初始化,如果一个项目中的类多达上千个,在项目启动的时候便开始初始化可能并不是我们想要的。
2. 简单的懒汉式单例
想解决饿汉式单例一开始就会进行对象的初始化的问题,一个很自然的想法就是当用户调用getInstance
方法的时候再进行实例的创建,修改代码如下:
/**
* @author 蝉沐风
* 饿汉式单例
*/
public class LazySimpleSingleton {
private static LazySimpleSingleton instance;
private LazySimpleSingleton() {
}
public static LazySimpleSingleton getInstance() {
// 如果实例不存在,则进行初始化
if (instance == null) {
instance = new LazySimpleSingleton();
}
return instance;
}
}
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上述代码在单线程下能够完美运行,但是在多线程下存在安全隐患。大家可以使用 IDEA 进行手动控制线程执行顺序来跟踪内存变化,下面我用图解的形式进行多线程下 3 种情形的说明。
情形 1:
每个线程依次执行 getInstance 方法,得到的结果正是我们所期望的
情形 2:
此种情形下,该种写法的单例模式会出现多线程安全问题,得到两个完全不同的对象
情形 3:
该种情形下,虽然表面上最终得到的对象是同一个,但是在底层上其实是生成了 2 个对象,只不过是后者覆盖了前者,不符合单例模式绝对只有一个实例的要求。
3. 升级的懒汉式单例
/**
* @author 蝉沐风
* 饿汉式单例-同步锁
*/
public class LazySynchronizedSingleton {
private static LazySynchronizedSingleton instance;
private LazySynchronizedSingleton() {
}
//添加synchronized关键字
public synchronized static LazySynchronizedSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new LazySynchronizedSingleton();
}
return instance;
}
}
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升级之后的程序能完美地解决线程安全问题。
但是用synchronized
加锁时,在线程数量较多的情况下,会导致大批线程阻塞,从而导致程序性能大幅下降
有没有一种形式,既能兼顾线程安全又能提升程序性能呢?有,这就是双重检查锁。
4. 双重检查锁
/**
* @author 蝉沐风
* 双重检查锁
*/
public class LazyDoubleCheck {
// 需要添加 volatile 关键字
private volatile static LazyDoubleCheck instance;
private LazyDoubleCheck() {
}
public static LazyDoubleCheck getInstance() {
//一重检查:检查实例,如果不存在,进入同步区块
if (instance == null) {
synchronized (LazyDoubleCheck.class) {
//双重检查:进入同步区块后,再检查一次,如果仍然是null,才创建实例
if (instance == null) {
instance = new LazyDoubleCheck();
}
}
}
return instance;
}
}
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第一重检查是为了确认 instance 是否已经被实例化,如果是,则无需再进入同步代码块,直接返回实例化对象,否则进入同步代码块进行创建,避免每次都排队进入同步代码块影响效率;
第二重检查是真正与实例的创建相关,如果instance
未被实例化,则在此过程中被实例化。
双重检查锁版本的单例模式需要使用到volatile
关键字,本文不对volatile
关键字进行深入分析,之后会单独开一篇文章进行解释
但是,使用synchronized
关键总归是要上锁的,对程序性能还是存在影响,下面介绍一种利用 Java 本身语法特性来实现的一种单例写法。
5. 静态内部类实现单例
/**
* @author 蝉沐风
* 静态内部类实现单例
*/
public class LazyStaticInnerClassSingleton {
private LazyStaticInnerClassSingleton() {
}
public static final LazyStaticInnerClassSingleton getInstance() {
return LazyHolder.LAZY;
}
// 静态内部类,未被使用时,是不会被加载的
private static class LazyHolder {
private static final LazyStaticInnerClassSingleton LAZY = new LazyStaticInnerClassSingleton();
}
}
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用静态内部类实现的单例本质上是一种懒汉式,因为在执行getInstance
中的LazyHolder.LAZY
语句之前,静态内部类并不会被加载。
这种方式既避免了饿汉式单例的内存浪费问题,又摆脱了synchronized
关键字的性能问题,同时也不存在线程安全问题。
到此为止,我们介绍了 5 种单例写法(除去简单的懒汉式单例由于多线程问题无法用于生产中,其实只有 4 种),我们发现上述单例模式本质上都是将构造方法私有化,避免外部程序直接进行实例化来达到单例的目的。
那如果我们能够想办法获取到类的构造方法,或者将创建好的对象写入磁盘,然后多次加载到内存,是不是可以破坏上述所有的单例呢?
答案是肯定的,下面我们用反射
和序列化
两种方法亲自毁灭我们一手搭建的单例。
6. 反射破坏单例
/**
* @author 蝉沐风
* 利用反射破坏单例
*/
public class SingletonBrokenByReflect {
public static void main(String[] args) {
try {
Class<?> clazz = LazyStaticInnerClassSingleton.class;
//通过反射弧获取类的私有构造方法
Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
//强制访问
c.setAccessible(true);
Object obj1 = c.newInstance();
Object obj2 = c.newInstance();
//输出false
System.out.println(obj1 == obj2);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
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如此,我们便使用反射破坏了单例。现在我们以静态内部类单例为例,解决这个问题。
我们在构造方法中添加一些限制,一旦检测到对象已经被实例化,但是构造方法仍然被调用时直接抛出异常。
/**
* @author 蝉沐风
* 静态内部类实现单例
*/
public class LazyStaticInnerClassSingleton {
private LazyStaticInnerClassSingleton() {
if (LazyHolder.LAZY != null) {
throw new RuntimeException("实例被重复创建");
}
}
public static final LazyStaticInnerClassSingleton getInstance() {
return LazyHolder.LAZY;
}
// 静态内部类,未被使用时,是不会被加载的
private static class LazyHolder {
private static final LazyStaticInnerClassSingleton LAZY = new LazyStaticInnerClassSingleton();
}
}
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7. 序列化破坏单例
单例对象创建好之后,有时需要将对象序列化然后写入磁盘,在需要时从磁盘中读取对象并加载至内存,反序列化后的对象会重新分配内存,如果序列化的目标对象恰好是单例对象,就会破坏单例模式。
/**
* @author 蝉沐风
* 可序列化的单例
*/
public class SeriableSingleton implements Serializable {
//类初始化的时候便进行对象实例化
private static final SeriableSingleton hungrySingleton = new SeriableSingleton();
private SeriableSingleton() {
}
public static SeriableSingleton getInstance() {
return hungrySingleton;
}
}
/**
* @author 蝉沐风
* 序列化破坏单例
*/
public class SingletonBrokenBySerializing {
public static void main(String[] args) {
SeriableSingleton s1 = SeriableSingleton.getInstance();
SeriableSingleton s2 = null;
FileOutputStream fos = null;
try {
File file;
fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");
OutputStream out;
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(s1);
oos.flush();
oos.close();
fos.close();
FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
s2 = (SeriableSingleton) ois.readObject();
ois.close();
fis.close();
//输出为false
System.out.println(s1 == s2);
} catch (Exception e) {
}
}
}
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从运行结果上看,反序列化和手动创建出来的对象是不一致的,违反了单例模式的初衷。
那到底如何保证在序列化的情况下也能够实现单例模式呢,其实很简单,只需要增加一个 readResolve 方法即可。
public class SeriableSingleton implements Serializable {
//类初始化的时候便进行对象实例化
private static final SeriableSingleton hungrySingleton = new SeriableSingleton();
private SeriableSingleton() {
}
public static SeriableSingleton getInstance() {
return hungrySingleton;
}
//只需要添加这一个函数即可
private Object readResolve() {
return hungrySingleton;
}
}
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实现的原理涉及到ObjectInputStream
的源码,不属于本文的研究重点,如果读者需要,我可以另开一篇来进行讲解。
8. 注册式单例模式
8.1 枚举式单例模式
很多博客和文章的实现方式如下(文件名:EnumSingleObject.java)
/*
* @author 蝉沐风
* 枚举式单例1
*/
public class EnumSingleObject {
private EnumSingleObject() {
}
enum SingletonEnum {
INSTANCE;
private EnumSingleObject instance;
private SingletonEnum() {
instance = new EnumSingleObject();
}
public EnumSingleObject getInstance() {
return INSTANCE.instance;
}
}
//对外暴露一个获取EnumSingleObject对象的静态方法
public static EnumSingleObject getInstance() {
return SingletonEnum.INSTANCE.getInstance();
}
}
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枚举式的写法为什么可以实现我们的单例模式呢,我们首先使用javac EnumSingleObject.java
生成EnumSingleObject.class
文件,用反编译工具Jad
在.class 所在的目录下执行 jad EnumSingleObject.class
命令,得到EnumSingleObject.jad
文件,代码如下
static final class EnumSingleObject$SingletonEnum extends Enum {
public static EnumSingleObject$SingletonEnum[] values() {
return (EnumSingleObject$SingletonEnum[]) $VALUES.clone();
}
public static EnumSingleObject$SingletonEnum valueOf(String s) {
return (EnumSingleObject$SingletonEnum) Enum.valueOf(com / chanmufeng / Singleton / registerSingleton / EnumSingleObject$SingletonEnum, s);
}
public EnumSingleObject getInstance() {
return INSTANCE.instance;
}
public static final EnumSingleObject$SingletonEnum INSTANCE;
private EnumSingleObject instance;
private static final EnumSingleObject$SingletonEnum $VALUES[];
// 该static代码块是枚举写法能够实现单例模式的关键
static {
INSTANCE = new EnumSingleObject$SingletonEnum("INSTANCE", 0);
$VALUES = (new EnumSingleObject$SingletonEnum[]{
INSTANCE
});
}
private EnumSingleObject$SingletonEnum(String s, int i) {
super(s, i);
instance = new EnumSingleObject();
}
}
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其实,枚举式单例在静态代码块中就为INSTANCE
进行了赋值,是一种饿汉式单例模式的体现,只不过这种饿汉式是 JDK 底层为我们做的操作,我们只是利用了 JDK 语法的特性罢了。
序列化能否破坏枚举式单例
//测试序列化能否破坏
public static void main(String[] args) {
EnumSingleObject s1 = EnumSingleObject.getInstance();
EnumSingleObject s2 = null;
FileOutputStream fos = null;
try {
fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(s1);
oos.flush();
oos.close();
fos.close();
FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
s2 = (EnumSingleObject) ois.readObject();
ois.close();
fis.close();
//输出为false
System.out.println(s1 == s2);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
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很遗憾,序列化依然会破坏枚举式单例EnumSingleObject
What???不是说枚举式单例非常的优雅吗?连 Effective Java 都推荐使用吗?
别急,接下来我们观察另一种写法
/**
* @author 蝉沐风
* 枚举式单例2
*/
public enum EnumSingleObject2 {
INSTANCE;
private Object data;
public Object getData() {
return data;
}
public void setData(Object data) {
this.data = data;
}
public static EnumSingleObject2 getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
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我们再来进行序列化测试
public static void main(String[] args) {
EnumSingleObject2 s1 = EnumSingleObject2.getInstance();
s1.setData(new Object());
EnumSingleObject2 s2 = null;
FileOutputStream fos = null;
try {
fos = new FileOutputStream("SeriableSingleton.obj");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(s1);
oos.flush();
oos.close();
fos.close();
FileInputStream fis = new FileInputStream("SeriableSingleton.obj");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
s2 = (EnumSingleObject2) ois.readObject();
ois.close();
fis.close();
//输出为true
System.out.println(s1 == s2);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
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打印结果为true
,说明枚举式单例 2 的写法可以防止序列化破坏。
而很多文章和博客用的往往是第 1 种写法,下面我们解释这两种写法的区别.
我们进入ObjectInputStream
类的readObject()
方法
public final Object readObject()
throws IOException, ClassNotFoundException
{
...
try {
Object obj = readObject0(false);
...
return obj;
} finally {
...
}
}
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在readObject()
方法中又调用了readObject0()
方法
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
...
//枚举式单例1的程序会进入到这里
case TC_CLASS:
return readClass(unshared);
...
//枚举式单例2的程序会进入到这里
case TC_ENUM:
return checkResolve(readEnum(unshared));
}
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我们先看一下readEnum()
方法
private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException {
...
String name = readString(false);
Enum<?> result = null;
Class<?> cl = desc.forClass();
if (cl != null) {
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
//!!!!这里是重点
Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name);
result = en;
} catch (IllegalArgumentException ex) {
...
}
}
...
return result;
}
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到这里我们发现,枚举类型其实通过类名和类对象找到唯一一个枚举对象,因此,枚举对象不会被类加载器加载多次。
而readClass()
并无此功能。
反射能否破坏枚举式单例
public static void main(String[] args) {
try {
Class<?> clazz = EnumSingleObject2.class;
//通过反射获取类的私有构造方法
Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
//强制访问
c.setAccessible(true);
Object obj1 = c.newInstance();
Object obj2 = c.newInstance();
//输出false
System.out.println(obj1 == obj2);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
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运行结果如下
结果报了java.lang.NoSuchMethodException
异常,原因是java.lang.Enum
中没有无参的构造方法,我们查看java.lang.Enum
的源码,只有下面一个构造函数
protected Enum(String name, int ordinal) {
this.name = name;
this.ordinal = ordinal;
}
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我们改变一下反射构建的方式
public static void main(String[] args) {
try {
Class<?> clazz = EnumSingleObject2.class;
//通过反射获取类的私有构造方法
// Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(null);
Constructor c = clazz.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
//强制访问
c.setAccessible(true);
Object obj1 = c.newInstance();
Object obj2 = c.newInstance();
//输出false
System.out.println(obj1 == obj2);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
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运行结果如下
Cannot reflectively create enum objects
,即不能用反射来创建枚举对象,这是Constructor
的newInstance()
方法在源码上决定的,继续看
public T newInstance(Object ... initargs)
throws InstantiationException, IllegalAccessException,
IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{
...
if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
ConstructorAccessor ca = constructorAccessor; // read volatile
if (ca == null) {
ca = acquireConstructorAccessor();
}
@SuppressWarnings("unchecked")
T inst = (T) ca.newInstance(initargs);
return inst;
}
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从源码中可以看出,newInstance()
方法中做了强制性的判断,如果修饰符是Modifier.ENUM
类型,则直接抛出异常。
最后介绍一种注册时单例的另一种写法:容器式单例
8.2 容器式单例模式
/**
* @author 蝉沐风
* 容器式单例
*/
public class ContainerSingleton {
private static Map<String, Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String, Object>();
public static Object getBean(String className) {
synchronized (ioc) {
if (!ioc.containsKey(className)) {
Object obj = null;
try {
obj = Class.forName(className).newInstance();
ioc.put(className, obj);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return obj;
} else {
return ioc.get(className);
}
}
}
}
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容器式单例适合用于实例非常多的情况,Spring 中就使用了该种单例模式。
总结
单例模式可以保证内存中任何情况下只有一个实例,是最简单的一种设计模式,实现起来也很简单,但是实现方式比较多,涉及到的小细节也比较多,在面试中是一个高频面试点。
我是蝉沐风,一个让你沉迷于技术的讲述者,欢迎大家留言!
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