单例设计模式(Singleton Design Pattern)理解起来非常简单。一个类只允许创建一个对象(或者实例),那这个类就是一个单例类,这种设计模式就叫作单例设计模式,简称单例模式。
单例模式中的“单例”概念其实有些笼统,很多博文中只介绍了一个进程内单例模式。其实单例模式有很多种,线程单例、进程单例、还是集群单例?
接下来咱们一起来学习学习吧~
public class Logger {private FileWriter writer;public Logger() {File file = new File("/Users/log.txt");writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入}public void log(String message) {writer.write(message);}
}// Logger类的应用示例:
public class UserController {private Logger logger = new Logger();public void login(String username, String password) {// ...省略业务逻辑代码...logger.log(username + " logined!");}
}public class OrderController {private Logger logger = new Logger();public void create(OrderVo order) {// ...省略业务逻辑代码...logger.log("Created an order: " + order.toString());}
}
如上记录日志的方式,两个请求同时写同一个日志文件,完全有可能造成日志被覆盖的情况,log.txt应该是共享资源。
对于线程不安全的问题,我们通常情况下都是加一把锁,但是此处加锁明显不是最优解,最好的办法就是将日志类定义为单例:
public class Logger {private FileWriter writer;private static final Logger instance = new Logger();private Logger() {File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入}public static Logger getInstance() {return instance;}public void log(String message) {writer.write(mesasge);}
}// Logger类的应用示例:
public class UserController {public void login(String username, String password) {// ...省略业务逻辑代码...Logger.getInstance().log(username + " logined!");}
}public class OrderController { public void create(OrderVo order) {// ...省略业务逻辑代码...Logger.getInstance().log("Created a order: " + order.toString());}
}
比如说java的Runtime类就是使用饿汉式实现的单例,表示全局唯一,一个进程中只能存在一个对象。
public class Runtime {private static Runtime currentRuntime = new Runtime();/*** Returns the runtime object associated with the current Java application.* Most of the methods of class Runtime
are instance* methods and must be invoked with respect to the current runtime object.** @return the Runtime
object associated with the current* Java application.*/public static Runtime getRuntime() {return currentRuntime;}/** Don't let anyone else instantiate this class */private Runtime() {}// other code...
}
饿汉式就是在JVM加载这个类的时候就直接创建出该单例对象。
/*** 饿汉式单例模式(静态变量)* 1.构造器私有化* 2.本类内部创建对象实例* 3.提供一个公有的静态方法,返回实例对象**/
public class Hungry {private Hungry() {}private final static Hungry HUNGRY = new Hungry();public static Hungry getInstance() {return HUNGRY;}
}
静态代码块的方式与静态常量的方式其实是一样的,都是在类加载的时候直接初始化。
/*** 静态代码块饿汉式**/
public class Hungry2 {private Hungry2() {}private static Hungry2 uniqueInstance;// 在静态代码块中创建单例对象static {uniqueInstance = new Hungry2();}public static Hungry2 getInstance() {return uniqueInstance;}
}
有人觉得这种实现方式不好,因为不支持延迟加载,如果实例占用资源多(比如占用内存多)或初始化耗时长(比如需要加载各种配置文件),提前初始化实例是一种浪费资源的行为。最好的方法应该在用到的时候再去初始化。不过,我个人并不认同这样的观点。
如果初始化耗时长,那我们最好不要等到真正要用它的时候,才去执行这个耗时长的初始化过程,这会影响到系统的性能(比如,在响应客户端接口请求的时候,做这个初始化操作,会导致此请求的响应时间变长,甚至超时)。采用饿汉式实现方式,将耗时的初始化操作,提前到程序启动的时候完成,这样就能避免在程序运行的时候,再去初始化导致的性能问题。
如果实例占用资源多,按照 fail-fast 的设计原则(有问题及早暴露),那我们也希望在程序启动时就将这个实例初始化好。如果资源不够,就会在程序启动的时候触发报错(比如 Java 中的 PermGen Space OOM),我们可以立即去修复。这样也能避免在程序运行一段时间后,突然因为初始化这个实例占用资源过多,导致系统崩溃,影响系统的可用性。
懒汉式其实就是懒加载的方式。
/****/
public class LazyMan{// 创建一个静态变量来记录Singeleton类的唯一实例private static LazyMan uniqueInstance;// 私有化构造器,保证只有Singelton类内才可以调用private LazyMan() {}public static LazyMan getInstance() {if (uniqueInstance == null) {uniqueInstance = new LazyMan();}return uniqueInstance;}
}
上面的代码我们很明显的可以看出,单线程下似乎没有什么问题,但是多线程下,多个线程同时执行到if (uniqueInstance == null) ,就有可能创建出多个实例。
/*** 懒汉式单例模式,效率低**/
public class LazyMan2 {private static LazyMan2 uniqueInstance;private LazyMan2 () { }// 通过synchronized在静态方法上加锁,使得每个线程在进入这个方法前都要等待其他线程的离开public static synchronized LazyMan2 getInstance() {if (uniqueInstance == null) {uniqueInstance = new LazyMan2();}return uniqueInstance;}
}
虽然多线程下安全了,但是加入了synchronized 锁,每次获取对象都要加一把锁,严重降低了性能。
/**7. 懒汉式单例模式8. 双重检测锁: 效率高、线程安全且避免了内存浪费,但是不易理解(对新手不太友好)**/
public class LazyMan4 {// volatile关键字可以确保uniqueInstance变量被初始化成LazyMan4实例时,多个线程正确处理uniqueInstance变量。private volatile static LazyMan4 uniqueInstance;private LazyMan4() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is ok");}public static LazyMan4 getInstance() {// 判断后续线程是否需要继续加锁if (uniqueInstance == null) {// 试图通过减少同步代码块的方式提高效率synchronized (LazyMan4.class) {// 在给实例对象uniqueInstance赋值时,再判断一次是否为空if (uniqueInstance == null) {uniqueInstance = new LazyMan4();}}}return uniqueInstance;}
}
该方式引入了volatile轻量级锁,相对于直接使用synchronized来说的确是提升了性能,并且只有第一次初始化的时候才会使用到synchronized ,后续只需要返回实例对象即可。
关于volatile的使用这里就不赘述了。
public class Singleton5 {private static class SingletonHolder {private static final Singleton5 INSTANCE = new Singleton5();}private Singleton5() {}public static Singleton5 getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}}
静态内部类方式可以轻松实现懒加载+线程安全(JVM类装载外部类的时候不会装载内部类)。
枚举天然就是一个单例的,也是Java四大名著中《Effective Java》里面的推荐写法。
/*** 枚举自带单例模式**/
public enum EnumSingleton {INSTANCE;public static EnumSingleton getInstance() {return INSTANCE;}}
我们来研究一下枚举的底层实现,我们在再一次点开枚举继承的抽象类Enum的底层源码,并且找到其中的valueOf()方法:
public static > T valueOf(Class enumType,String name) {T result = enumType.enumConstantDirectory().get(name);if (result != null)return result;if (name == null)throw new NullPointerException("Name is null");throw new IllegalArgumentException("No enum constant " + enumType.getCanonicalName() + "." + name);
}
我们继续看这一行代码:
T result = enumType.enumConstantDirectory().get(name);
Map enumConstantDirectory() {if (enumConstantDirectory == null) {T[] universe = getEnumConstantsShared();if (universe == null)throw new IllegalArgumentException(getName() + " is not an enum type");Map m = new HashMap<>(2 * universe.length);for (T constant : universe)m.put(((Enum>)constant).name(), constant);enumConstantDirectory = m;}return enumConstantDirectory;
}
private volatile transient Map enumConstantDirectory = null;
这个时候我们会发现枚举常量字典enumConstantDirectory为Map
使用Spring容器可以完美实现单例模式。
大致的逻辑参考如下:
/*** 注册式单例,Spring中的做法**/
public class ContainerSingleton {// 私有化构造器private ContainerSingleton() {}// 声明一个Mapprivate static Map ioc = new ConcurrentHashMap();public static Object getInstance(String className) {synchronized (ioc) {if (!ioc.containsKey(className)) {// 如果map中不存在这个全限定类名的key,那么需要放入新的数据Object obj = null;try {// 利用全限定类名获取反射对象,再实现类的实例化obj = Class.forName(className).newInstance();// 把全限定类名以及对象,以key-vaule的形式放入map中ioc.put(className, obj);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}return obj;} else {// 如果map中存在这个全限定类名的key,直接通过这个key返回对应的对象return ioc.get(className);}}}
}
我们在Spring中使用起来也非常的方便,具体请查阅Spring中Bean的创建方式。
public class Singleton9 {private static final AtomicReference INSTANCE = new AtomicReference();private Singleton9() {}public static Singleton9 getInstance() {for (; ; ) {Singleton9 current = INSTANCE.get();if (current != null) {return current;}current = new Singleton9();if (INSTANCE.compareAndSet(null, current)) {return current;}}}}
该方式用的比较少,写法比较麻烦,但是也算是一种方式。
import java.lang.reflect.Constructor;/*** 反射:程序运行阶段,获取某一个类的所有属性和方法* 所以 反射是对单例模式起到破坏的作用* 下面以饿汉式为例,进行演示*/
public class DestroySingleton {public static void main(String [] args){/*反射对单例模式的破坏*///1、获取类对象Class singleton_1Class = Singleton_1.class;//2、获取私有的构造方法try {Constructor declaredConstructor = singleton_1Class.getDeclaredConstructor();//3、取消Java语言的访问检查 暴力访问declaredConstructor.setAccessible(true);//4、通过构造 创建对象Singleton_1 singleton_1 = declaredConstructor.newInstance();Singleton_1 singleton_2 = declaredConstructor.newInstance();System.out.println(singleton_1 == singleton_2);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}
//饿汉式 单例模式
class Singleton_1{//构造方法私有private Singleton_1(){};//属性私有private static Singleton_1 singleton_1 = new Singleton_1();//提供对外的访问方法public static Singleton_1 getInstance(){return singleton_1;}
}
我们可以发现以上代码可以打破单例模式。
如何解决这种情况呢?我们可以在私有构造方法中加入判断:
//饿汉式 单例模式
class Singleton_1{//构造方法私有private Singleton_1(){//防止反射对单例模式的破坏if (singleton_1 != null){throw new RuntimeException("不允许反射访问。。。");}};//属性私有private static Singleton_1 singleton_1 = new Singleton_1();//提供对外的访问方法public static Singleton_1 getInstance(){return singleton_1;}
}
再次通过反射创建单例的时候,会直接抛出异常了~
import java.io.*;
public class DestroySingleton {public static void main(String [] args){/*序列化对单例模式的破坏*/Singleton_1 s1 = null;Singleton_1 s2 = Singleton_1.getInstance();FileOutputStream fos = null;try {fos = new FileOutputStream("E:\\Singleton_1.obj");ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);oos.writeObject(s2);oos.flush();oos.close();FileInputStream fis = new FileInputStream("E:\\Singleton_1.obj");ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);s1 = (Singleton_1) ois.readObject();ois.close();System.out.println(s1);System.out.println(s2);System.out.println(s1 == s2);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}
//饿汉式 单例模式,序列化破解的方式只有实现Serializable才可以
class Singleton_1 implements Serializable {//构造方法私有private Singleton_1(){//防止反射对单例模式的破坏,为了线程安全可以引入synchronized 锁定这里if (singleton_1 != null){throw new RuntimeException("不允许反射访问。。。");}};//属性私有private static Singleton_1 singleton_1 = new Singleton_1();//提供对外的访问方法public static Singleton_1 getInstance(){return singleton_1;}
}
我们发现,序列化方式打破单例更加暴力,即使在构造方法抛出异常也不能规避。
如何解决呢?我们只要加上readResolve()方法即可,来看优化后的代码:
//饿汉式 单例模式,序列化破解的方式只有实现Serializable才可以
class Singleton_1 implements Serializable {//构造方法私有private Singleton_1(){//防止反射对单例模式的破坏if (singleton_1 != null){throw new RuntimeException("不允许反射访问。。。");}};//属性私有private static Singleton_1 singleton_1 = new Singleton_1();//提供对外的访问方法public static Singleton_1 getInstance(){return singleton_1;}// 具体原理就是 ObjectInputStream类的readObject()方法,感兴趣可以研究研究。private Object readResolve(){return singleton_1;}
}
虽然增加了readResolve()方法返回实例解决了单例模式破坏的问题,但是实际上实例化了两次,只不过新创建的对象没有返回而已,如果创建对象的动作发生频率加快,就意味着内存分配也会随之增大。
上面我们通过反射打破饿汉式,通过在构造方法抛异常的方式可以解决。
那么这种方式可以解决懒汉式的这种问题吗?
import java.lang.reflect.Constructor;public class DestroySingleton {public static void main(String[] args) {/*反射对单例模式的破坏*///1、获取类对象Class singleton_1Class = Singleton_1.class;//2、获取私有的构造方法try {Constructor declaredConstructor = singleton_1Class.getDeclaredConstructor();//3、取消Java语言的访问检查 暴力访问declaredConstructor.setAccessible(true);//4、通过构造 创建对象Singleton_1 singleton_1 = declaredConstructor.newInstance();Singleton_1 singleton_2 = declaredConstructor.newInstance();System.out.println(singleton_1 == singleton_2);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}//懒汉式 单例模式
class Singleton_1 {//构造方法私有private Singleton_1() {//防止反射对单例模式的破坏if (singleton_1 != null) {throw new RuntimeException("不允许反射访问。。。");}}//属性私有private volatile static Singleton_1 singleton_1;//提供对外的访问方法public static Singleton_1 getInstance() {// 判断后续线程是否需要继续加锁if (singleton_1 == null) {// 试图通过减少同步代码块的方式提高效率synchronized (Singleton_1.class) {// 在给实例对象uniqueInstance赋值时,再判断一次是否为空if (singleton_1 == null) {singleton_1 = new Singleton_1();}}}return singleton_1;}
}
我们发现执行结果是false,并不会解决这个问题。
要想彻底不想通过反射打破懒汉式的单例,解决起来还是很麻烦的,这里就不深入追究了(可以加个内部变量等方法)。
序列化方式打破懒汉式也是很暴力,
解决办法跟饿汉式一样,加一个readResolve方法。
private Object readResolve(){return singleton_1;
}
import java.lang.reflect.Constructor;/*** 静态内部类* 1.类装载的时候,静态内部类是不会被装载(懒加载,以外部类的装载不会导致内部类的装载)* 2.当调用getInstance()方法的时候,会导致静态内部类被装载,而且只会被装载一次* 3.在装载的时候线程是安全的。(JVM底层类装载机制)**/
public class Holder {// 私有化构造器private Holder() {}// 提供一个全局访问点,返回静态内部类中的静态常量public static Holder getInstance() {return InnerClass.HOLDER;}// 在静态内部类中创建一个静态常量并将一个外部类的实例赋值给它。public static class InnerClass {private static final Holder HOLDER = new Holder();}public static void main(String[] args) throws Exception {// 用提供的唯一全局访问点获取实例对象Holder instance = Holder.getInstance();// 获取Holder的反射对象Class clazz = Holder.class;// 通过反射对象获取Holder的构造器Constructor declaredConstructor = clazz.getDeclaredConstructor();// 私有访问授权declaredConstructor.setAccessible(true);// 创建Holder的实例对象Holder instance2 = declaredConstructor.newInstance();System.out.println(instance == instance2);}}
我们发现可以使用反射轻松打破。
此时我们可以在私有构造方法中加判断:
public class Holder {// 私有化构造器private Holder() {// 为了线程安全,可以加synchronized锁if (InnerClass.HOLDER != null) {throw new RuntimeException("小朋友,不要试图用反射搞破坏!");}}// 提供一个全局访问点,返回静态内部类中的静态常量public static Holder getInstance() {return InnerClass.HOLDER;}// 在静态内部类中创建一个静态常量并将一个外部类的实例赋值给它。public static class InnerClass {private static final Holder HOLDER = new Holder();}public static void main(String[] args) throws Exception {// 获取Holder的反射对象Class clazz = Holder.class;// 通过反射对象获取Holder的构造器Constructor declaredConstructor = clazz.getDeclaredConstructor();// 私有访问授权declaredConstructor.setAccessible(true);// 创建Holder的实例对象Holder instance2 = declaredConstructor.newInstance();Holder instance3 = declaredConstructor.newInstance();System.out.println(instance3 == instance2);}}
这种写法虽然干脆利落,却直接封杀了反射的可能性,甚至通过反射来第一次获取单例对象都不可以了,只能通过getInstance方法来获取。
public enum EnumSingleton {INSTANCE;public static EnumSingleton getInstance() {return INSTANCE;}public static void main(String[] args) throws Exception {// 获取枚举EnumSingleton的反射对象Class clazz = EnumSingleton.class;// 利用反射对象获取EnumSingleton的构造器Constructor declaredConstructor = clazz.getDeclaredConstructor();// 私有访问授权declaredConstructor.setAccessible(true);// 利用反射获得的构造器实现EnumSingleton的实例化EnumSingleton instance = declaredConstructor.newInstance();}}
我们执行一下发现,竟然直接报错了!
查看反射创建对象newInstance()方法的底层源码:
@CallerSensitivepublic T newInstance(Object ... initargs)throws InstantiationException, IllegalAccessException,IllegalArgumentException, InvocationTargetException{if (!override) {if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {Class> caller = Reflection.getCallerClass();checkAccess(caller, clazz, null, modifiers);}}if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");ConstructorAccessor ca = constructorAccessor; // read volatileif (ca == null) {ca = acquireConstructorAccessor();}@SuppressWarnings("unchecked")T inst = (T) ca.newInstance(initargs);return inst;}
关键代码:
if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
但是,为什么提示我们java.lang.NoSuchMethodException呢?
我们查看一下枚举继承的抽象类Enum的底层源码,发现其中会有这么一个带双参的构造方法,而不是无参:
protected Enum(String name, int ordinal) {this.name = name;this.ordinal = ordinal;
}
哦,那我们利用反射获取这个双参的构造方法就好了。再次修改代码如下:
public static void main(String[] args) throws Exception {// 获取枚举EnumSingleton的反射对象Class clazz = EnumSingleton.class;// 利用反射对象获取EnumSingleton的构造器Constructor declaredConstructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);// 私有访问授权declaredConstructor.setAccessible(true);// 利用反射获得的构造器实现EnumSingleton的实例化EnumSingleton instance = declaredConstructor.newInstance("ccc", 666);
}
获取到我们想要的异常啦!
所以,枚举实现起来又方便又安全,推荐这种方式!
“进程唯一”指的是进程内唯一,进程间不唯一。类比一下,“线程唯一”指的是线程内唯一,线程间可以不唯一。实际上,“进程唯一”还代表了线程内、线程间都唯一,这也是“进程唯一”和“线程唯一”的区别之处。
本文以上都是实现的是“进程唯一”,那如何实现“线程唯一”呢?
public class IdGenerator {private AtomicLong id = new AtomicLong(0);private static final ConcurrentHashMap instances= new ConcurrentHashMap<>();private IdGenerator() {}public static IdGenerator getInstance() {Long currentThreadId = Thread.currentThread().getId();instances.putIfAbsent(currentThreadId, new IdGenerator());return instances.get(currentThreadId);}public long getId() {return id.incrementAndGet();}
}
以上代码是使用Map,我们都知道每一个线程都有一个唯一的id,我们用key为线程的Id,就可以实现线程唯一的单例啦!
还有一种方式是,ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本,从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。对于多线程资源共享的问题,同步机制采用了“以时间换空间”的方式,而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量,让不同的线程排队访问,而后者为每一个线程都提供了一份变量,因此可以同时访问而互不影响。
public class Singleton8 {private static final ThreadLocal tlSingleton = new ThreadLocal() {@Overrideprotected Singleton8 initialValue() {return new Singleton8();}};private Singleton8() {}public static Singleton8 getInstance() {return tlSingleton.get();}}
那恐怕只能使用redis、数据库等,将单例对象存放在公共的资源中了。
“单例”指的是,一个类只能创建一个对象。对应地,“多例”指的就是,一个类可以创建多个对象,但是个数是有限制的,比如只能创建 3 个对象。如果用代码来简单示例一下的话,就是下面这个样子:
public class BackendServer {private long serverNo;private String serverAddress;private static final int SERVER_COUNT = 3;private static final Map serverInstances = new HashMap<>();static {serverInstances.put(1L, new BackendServer(1L, "192.134.22.138:8080"));serverInstances.put(2L, new BackendServer(2L, "192.134.22.139:8080"));serverInstances.put(3L, new BackendServer(3L, "192.134.22.140:8080"));}private BackendServer(long serverNo, String serverAddress) {this.serverNo = serverNo;this.serverAddress = serverAddress;}public BackendServer getInstance(long serverNo) {return serverInstances.get(serverNo);}public BackendServer getRandomInstance() {Random r = new Random();int no = r.nextInt(SERVER_COUNT)+1;return serverInstances.get(no);}
}
实际上,对于多例模式,还有一种理解方式:同一类型的只能创建一个对象,不同类型的可以创建多个对象。这里的“类型”如何理解呢?
我们还是通过一个例子来解释一下,具体代码如下所示。在代码中,logger name 就是刚刚说的“类型”,同一个 logger name 获取到的对象实例是相同的,不同的 logger name 获取到的对象实例是不同的。
public class Logger {private static final ConcurrentHashMap instances= new ConcurrentHashMap<>();private Logger() {}public static Logger getInstance(String loggerName) {instances.putIfAbsent(loggerName, new Logger());return instances.get(loggerName);}public void log() {//...}
}//l1==l2, l1!=l3
Logger l1 = Logger.getInstance("User.class");
Logger l2 = Logger.getInstance("User.class");
Logger l3 = Logger.getInstance("Order.class");
这种多例模式的理解方式有点类似工厂模式。它跟工厂模式的不同之处是,多例模式创建的对象都是同一个类的对象,而工厂模式创建的是不同子类的对象。实际上,它还有点类似享元模式,两者的区别等到我们讲到享元模式的时候再来分析。除此之外,实际上,枚举类型也相当于多例模式,一个类型只能对应一个对象,一个类可以创建多个对象。
https://blog.csdn.net/Qizhi_Hu/article/details/106451236
王争老师《设计模式之美》
https://blog.csdn.net/mnimxq/article/details/124526216