java 单类实现方式 java中单

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mob64ca1403c772 2023-09-11 09:38:42

文章标签 java 单类实现方式 java 设计模式多线程单例模式 文章分类 Java 后端开发

Java单例模式详解，包括各种方式的实现

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在 Java 应用中，单例对象能保证在一个 JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。
省去了 new 操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻 GC 压力。
有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

单例模式有好几种实现方式，其中包括线程安全的和线程不安全的，接下来就实现一遍。

饿汉式的单例模式

public class Singleton {
	//构造器私有化，防止被实例化
	private Singleton() {
		
	}
	//持有私有静态实例，防止被引用，饿汉式先创建对象
	private static Singleton Instance = new Singleton();
	
	//提供一个对外的方法调用
	public static Singleton getInstance() {
		return Instance;
	}
	
	//多线程验证是否安全
	public static void main(String[] args) {
		for(int i = 1; i <= 10; i++) {
			new Thread(()->{
				Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
				System.out.println(instance1.hashCode());
			}).start();
		}
	}
}

java 单类实现方式 java中单_java 单类实现方式

可以看到，饿汉式的单例模式在多线程下是安全的，每个线程获得的都是同一个实例的哈希地址。但是饿汉式也是有缺点，不能实现延迟加载的策略，当数据过多时，提前加载，占据内存，显然不是我们想要的，我们大多数需要使用到的时候再加载实例，这就用到了懒汉式单例模式

懒汉式单例模式（不安全）

方式一：普通懒汉式，不安全

public class LazySingleton {
	private LazySingleton() {
		//测试输出代码（不必要）
		System.out.println(Thread.currentThread().getName());
	}
	//初始不实例化，需要使用的时候才实例化
	private static LazySingleton Instance;
	//对外提供调用的方法，实现懒加载的效果
	public static LazySingleton getInstance() {
		if(Instance == null) {
			Instance = new LazySingleton();
		}
		return Instance;
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		for(int i = 1; i <= 1000; i++) {
			new Thread(()->{
				LazySingleton.getInstance();
			}).start();
		}
	}
}

java 单类实现方式 java中单_多线程_02

可以看到，在多线程下哈希值不一样，说明不同的线程创建了多个实例。

方式二、改进懒汉式
首先会想到对 getInstance 方法加synchronized 关键字，其它的都不变。如下：

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

这样虽然线程安全了，但是每一次线程进入该方法中时都是阻塞式进入，每次都只允许一个线程进入，synchronized 关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用 getInstance()，都要对对象上锁（每进来一次都要上锁，就算已经实例化Instance，也要上锁），事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。

方式三、双重检测，效率快许多

public static LazyMan getInstance() {
		if(Instance == null) {
			synchronized(LazyMan.class) {
				if(Instance == null) {
					Instance = new LazySingleton();
				}
			}
		}
		return Instance;
	}

将 synchronized 关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在 instance 为 null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。

但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在 Java 指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说 instance = new LazySingleton();语句是分两步执行的。但是JVM 并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能 JVM 会为新的 Singleton 实例分配空间，然后直接赋值给 instance 成员，然后再去初始化这个 Singleton 实例。这样就可能出错了。

以 A、B 两个线程为例：

A、B 线程同时进入了第一个 if 判断
A 首先进入 synchronized 块，由于 instance 为 null，所以它执行 instance = new LazySingleton();
由于 JVM 内部的优化机制（指令重排），JVM 先画出了一些分配给 Singleton 实例的空白内存，并赋值给 instance 成员（注意此时 JVM 没有开始初始化这个实例），然后 A 离开了 synchronized块。
B 进入 synchronized 块，由于 instance 此时不是 null，因此它马上离开了 synchronized
块并将结果返回给调用该方法的程序。
此时 B 线程打算使用 Singleton 实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

方式四、使用volatile关键字，防止指令重排，其它不变

public class LazyMan {
	private LazyMan() {
		System.out.println(Thread.currentThread().getName());
	}

	private static volatile LazyMan Instance;
	
	public static LazyMan getInstance() {
		if(Instance == null) {
			synchronized(LazyMan.class) {
				if(Instance == null) {
					Instance = new LazyMan();
				}
			}
		}
		return Instance;
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		for(int i = 1; i <= 1000; i++) {
			new Thread(()->{
				LazyMan.getInstance();
			}).start();
		}
	}
}

方式五、改进双重检测，效率一样，防止以上问题

private static synchronized void InitIns() {
		if(Instance == null) {
			Instance = new LazySingleton();
		}
	}
	
	public static LazyMan2 getInstance() {
		if(Instance == null) {
			InitIns();
		}
		return Instance;
	}

此方式也只会创建一次实例，线程安全，效率高

方式六、使用静态内部类的方式

public class LazySingleton {
	private LazySingleton() {
		
	}
	//静态内部类
	private static class SingletonFactory{
		private static LazySingleton Instance = new LazySingleton();
	}
	
	public static synchronized LazySingleton getInstance() {
		return SingletonFactory.Instance;
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		for(int i = 1; i <= 10; i++) {
			new Thread(()->{
				LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
				System.out.println(lazySingleton.hashCode());
			}).start();
		}
	}
}

将原来的一个方法中的双重检测改为使用内部类方式。JVM 内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用 getInstance 的时候，JVM 能够帮我们保证 instance 只被创建一次，并且会保证把赋值给 instance 的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。

还没完

看了这么多的单例的实现，以为就OK了？no no no！上述单例模式看起来是安全的，但是一旦用到了反射，就会破坏单例模式的安全性。

public class LazySingleton2 {
	private LazySingleton2() {
		
	}

	private static volatile LazySingleton2 Instance = null;
	
	public static LazySingleton2 getInstance() {
		if(Instance == null) {
			synchronized (LazySingleton2.class) {
				if(Instance == null) {
					Instance = new LazySingleton2();
				}
			}
		}
		return Instance;
	}
	
	public static void main(String[] args) throws Exception{
		LazySingleton2 instance1 = LazySingleton2.getInstance();
		Constructor<LazySingleton2> declaredConstructor = LazySingleton2.class.getDeclaredConstructor(null);
		//破坏private
		declaredConstructor.setAccessible(true);
		LazySingleton2 instance2 = declaredConstructor.newInstance();
		System.out.println(instance1.hashCode());
		System.out.println(instance2.hashCode());
	}
}

java 单类实现方式 java中单_多线程_03

可以看到，两个实例的哈希值不同，破坏了单例模式。

此时我们可以在加一个检测，检测是否使用反射创建对象
只需要在构造方法中添加

private LazySingleton2() {
		if(Instance != null) {
			throw new RuntimeException("请不要使用反射破坏单例");
		}
	}

我们一个实例用普通方式创建，一个用反射创建，如果使用反射创建对象，破坏了单例之后，就会抛出异常，到时处理异常即可。

但是这就安全了吗？
现在尝试使用多个反射创建对象

public class LazySingleton2 {
	private LazySingleton2() {
		if(Instance != null) {
			throw new RuntimeException("请不要使用反射破坏单例");
		}
	}

	private static volatile LazySingleton2 Instance = null;
	
	public static LazySingleton2 getInstance() {
		if(Instance == null) {
			synchronized (LazySingleton2.class) {
				if(Instance == null) {
					Instance = new LazySingleton2();
				}
			}
		}
		return Instance;
	}
	
	public static void main(String[] args) throws Exception{
		Constructor<LazySingleton2> declaredConstructor = LazySingleton2.class.getDeclaredConstructor(null);
		//破坏private
		declaredConstructor.setAccessible(true);
		//这里创建对象发生改变
		LazySingleton2 instance1 = declaredConstructor.newInstance();
		LazySingleton2 instance2 = declaredConstructor.newInstance();
		System.out.println(instance1.hashCode());
		System.out.println(instance2.hashCode());
	}
}

java 单类实现方式 java中单_设计模式_04

还是创建了两个不同的对象，破坏了单例。(⊙﹏⊙)(⊙﹏⊙)(⊙﹏⊙)，好烦啊！

设置标志位防止反射破坏

我们设置一个假设为qwdx的标志位

public class LazySingleton2 {
	//在此处设置一个标志位
	private static boolean qwdx = false;
	
	private LazySingleton2() {
		if(qwdx = false) {
			qwdx = true;
		}else {
			throw new RuntimeException("请不要使用反射破坏单例");
		}
	}

	private static volatile LazySingleton2 Instance = null;
	
	public static LazySingleton2 getInstance() {
		if(Instance == null) {
			synchronized (LazySingleton2.class) {
				if(Instance == null) {
					Instance = new LazySingleton2();
				}
			}
		}
		return Instance;
	}
	
	public static void main(String[] args) throws Exception{
		Constructor<LazySingleton2> declaredConstructor = LazySingleton2.class.getDeclaredConstructor(null);
		//破坏private
		declaredConstructor.setAccessible(true);
		LazySingleton2 instance1 = declaredConstructor.newInstance();
		LazySingleton2 instance2 = declaredConstructor.newInstance();
		System.out.println(instance1.hashCode());
		System.out.println(instance2.hashCode());
	}
}

java 单类实现方式 java中单_java 单类实现方式_05

处理OK，通过一个标志位，解决反射创建对象破坏单例的问题。

结束了吗？没有，当我们知道该标志位的变量，我们就能用反射破坏它。如下：

public class LazySingleton2 {
	
	private static boolean qwdx = false;
	
	private LazySingleton2() {
		if(qwdx == false) {
			qwdx = true;
		}else {
			throw new RuntimeException("请不要使用反射破坏单例");
		}
	}

	private static volatile LazySingleton2 Instance = null;
	
	public static LazySingleton2 getInstance() {
		if(Instance == null) {
			synchronized (LazySingleton2.class) {
				if(Instance == null) {
					Instance = new LazySingleton2();
				}
			}
		}
		return Instance;
	}
	
	public static void main(String[] args) throws Exception{
		Constructor<LazySingleton2> declaredConstructor = LazySingleton2.class.getDeclaredConstructor(null);
		//破坏private
		declaredConstructor.setAccessible(true);
		//假设我们知道了标志位变量qwdx，我们就可以破坏它
		Field field = LazySingleton2.class.getDeclaredField("qwdx");
		field.setAccessible(true);
		
		LazySingleton2 instance1 = declaredConstructor.newInstance();
		
		//将第一个对象的标志位重置
		field.set(instance1, false);
		
		LazySingleton2 instance2 = declaredConstructor.newInstance();
		System.out.println(instance1.hashCode());
		System.out.println(instance2.hashCode());
	}
}

java 单类实现方式 java中单_java 单类实现方式_06

此时，通过反射又得到了两个实例。单例又被破坏。我XXX

怎么能避免这些情况呢？JDK5提出了枚举方式

public class Test{
	public static void main(String[] args) {
		EnumSingleton instance1 = EnumSingleton.getInstance();
		EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
		System.out.println(instance1 == instance2);
	}
}

enum  EnumSingleton{

	INSTANCE;
	
	public static EnumSingleton getInstance() {
		return INSTANCE;
	}
}

结果返回 true，证明是同一个对象。

使用反射创建对象

public class Test{
	public static void main(String[] args) throws Exception{
		Constructor<EnumSingleton> declaredConstructor = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructor(null);
		declaredConstructor.setAccessible(true);
		EnumSingleton instance1 = declaredConstructor.newInstance();
		EnumSingleton instance2 = declaredConstructor.newInstance();
		System.out.println(instance1 == instance2);
	}
}

enum  EnumSingleton{

	INSTANCE;
	
	public static EnumSingleton getInstance() {
		return INSTANCE;
	}
}

java 单类实现方式 java中单_多线程_07