设计模式（一）：单例模式（Singleton Pattern）

r囧r小猫 2022-06-11 07:22 182阅读 0赞

**设计模式（一）：单例模式（Singleton Pattern）**

>        单例模式(Singleton Pattern)是设计模式中比较常用的一种，下面来总结单例模式的知识，包括：
> 
> >        1、理解什么是单例模式、单例模式有什么优点/缺点、单例模式的应用场景；
> > 
> >        2、再来看看Java单例模式的6种代码实现方式、每种实现方式有什么需要注意的；
> > 
> >        3、后面再来了解Java单例模式其他值得关注的地方，如比较静态方法、以及Java反射、反序列化、垃圾回收的影响等。

## **1、什么是单例模式** ##

### **1-1、模式理解** ###

> **      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。**
> 
> **        UML结构图：**
> 
> ![20170802105613589][]
> 
> **        模式角色：**
> 
> >       一个类使用了单例模式，称该类为单例类，如图中的Singleton。
> 
> **        单例模式三要点：**
> 
> > **      （1）、单例类只能有一个实例**
> > 
> > >       这是最基本的，真正做到整个系统中唯一并不容易，通常还要考虑反射破坏、序列化/反序列化、对象垃圾回收等问题。
> > 
> > **      （2）、单例类必须自己创建自己的唯一实例**
> > 
> > >       通常给实例构造函数protected或private权限。
> > 
> > **      （3）、单例类必须给所有其他对象提供这一实例**
> > 
> > >       通常定义静态方法getInstance()返回。

### **1-2、特点** ###

> **        优点：**
> 
> >        （1）、提供了对唯一实例的受控访问，避免对资源的多重占用。
> > 
> >        （2）、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例。
> > 
> >        （3）缩小名空间，避免全局变量污染空间，但比类操作更灵活。
> 
>        **缺点：**
> 
> >        （1）、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。
> > 
> >        （2）、 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。
> 
>        所以也不应过多使用单例模式。

### **1-3、应用** ###

>        单例模式是一种对象创建型模式，用来编写一个类，在整个应用系统中只能有该类的一个实例对象。
> 
> **        常见应用场景：**
> 
> >             线程池、缓存、日志、配置文件、打印机/显卡等硬件设备的驱动程序对象等等。
> 
> **        JDK中的一些应用：**
> 
> >        java.lang.Runtime\#getRuntime()
> > 
> >       java.text.NumberFormat\#getInstance()
> > 
> >       java.awt.GraphicsEnvironment\#getLocalGraphicsEnvironment()
> 
>   
> 
> 
> **面向对象的设计模式可以说是一种“套路”，是不分编程语言的，而后面主要以Java言语为主。**  
>

## **2、单例模式实现示例** ##

>       Java单例模式的实现有多种方式，使用Java实现如下所示。

### **2-1、饿汉式（简单可用）** ###

>        Lazy 初始化：否；
> 
>        多线程安全：是；
> 
>        描述：

> >       这种方式比较常用，它基于JVM的类加载器机制避免了多线程的同步问题，对象在类装载时就实例化，所以称为饿汉式。

>        优点：没有加锁，执行效率会提高。
> 
>        缺点：没有Lazy初始化，可能有时候不需要使用，浪费内存。
> 
>        代码实例：
> 
> >     public class Singleton {
> >     
> >         private static Singleton instance = new Singleton();
> >        
> >         private Singleton (){}
> >         
> >         public static Singleton getInstance() {
> >             return instance;
> >     
> >         }
> >     
> >     }

### **2-2、懒汉式（线程不安全，不可用）** ###

>       Lazy 初始化：是；
> 
>       多线程安全：否；
> 
>       描述：
> 
> >       能够在getInstance()时再创建对象，所以称为懒汉式。这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁同步。
> 
>       代码实例：
> 
> >     public class Singleton {
> >     
> >         private static Singleton instance;
> >     
> >         private Singleton (){}
> >          
> >         public static Singleton getInstance() {
> >     
> >             if (instance == null) {
> >                 instance = new Singleton();
> >             }
> >     
> >             return instance;
> >         }
> >     
> >     }

### **2-3、同步方法的懒汉式（同步方法效率低，不推荐）** ###

>       Lazy 初始化：是
> 
>       多线程安全：是
> 
>       描述：
> 
> >       除第一次使用，后面getInstance()不需要同步；每次同步，效率很低。
> 
>       代码实例：
> 
> >     public class Singleton {
> >     
> >         private static Singleton instance;
> >     
> >         private Singleton (){}
> >     
> >         public static synchronized Singleton getInstance() {
> >     
> >             if (instance == null) {
> >                 instance = new Singleton();
> >             }
> >     
> >             return instance;
> >         }
> >     
> >     }

### **2-4、双重校验锁（可用）** ###

>       Lazy 初始化：是；
> 
>       多线程安全：是；
> 
>       描述：
> 
> >       这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
> > 
> >       实例变量需要加volatile 关键字保证易变可见性，JDK1.5起才可用。
> 
>       代码实例：
> 
> >     public class Singleton {
> >     
> >         private volatile static Singleton singleton;
> >     
> >         private Singleton (){}
> >     
> >         public static Singleton getSingleton() {
> >     
> >             if (singleton == null) {
> >                 synchronized (Singleton.class) {
> >                     if (singleton == null) {
> >                         singleton = new Singleton();
> >                      }
> >                  }
> >             }
> >     
> >             return singleton;
> >         }
> >     
> >     }

### **2-5、静态内部类（推荐）** ###

>       Lazy 初始化：是；
> 
>       多线程安全：是；
> 
>       描述：
> 
> >       同样利用了JVM类加载机制来保证初始化实例对象时只有一个线程，静态内部类SingletonHolder 类只有第一次调用 getInstance 方法时，才会装载从而实例化对象。
> 
>       代码实例：
> 
> >     public class Singleton {
> >     
> >         private static class SingletonHolder {
> >     
> >            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
> >         }
> >     
> >         private Singleton (){}
> >     
> >         public static final Singleton getInstance() {
> >     
> >             return SingletonHolder.INSTANCE;
> >         }
> >     
> >     }

### **2-6、枚举（《Effective Java》推荐，不常见）** ###

>       Lazy 初始化：否；
> 
>       多线程安全：是；
> 
>       描述：
> 
> >       从Java1.5开始支持enum特性；无偿提供序列化机制，绝对防止多次实例化，即使在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。
> 
> >       不过，用这种方式写不免让人感觉生疏，这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。
> 
>       代码实例：
> 
> >     public enum Singleton {
> >     
> >         //定义一个枚举的元素，就代表Singleton实例
> >         INSTANCE;
> >     
> >         /*
> >         **假如还定义有下面的方法，调用：Singleton.INSTANCE.doSomethingMethod();
> >         */
> >     
> >         public void doSomethingMethod() {
> >     
> >         }
> >     
> >     }

### **2-7、小结** ###

>       以上6种单例实现方式，不是线程安全的不能用，至于是否需要延时加载，看情况而定。
> 
> **      一般情况下，使用最基本、最简单的第一种饿汉式就行了（JDK中有不少使用该种方式），需要延时加载的使用静态内部类方式，需要高安全性的可以使用第6种枚举方式**。

## **3、其他关注点** ##

### **3-1、单例模式VS静态类（静态属性/方法）** ###

>       把类中所有属性/方法定义成静态也可以实现"单例"。
> 
>       那为什么需要用"NEW"单例模式，在而不把类中所有属性/方法定义成静态的？
> 
>       静态类不用实例化就可以使用，虽然使用比较方便，但失去了面向对象的一些优点，适用于一些过程简单且固定、不需要扩展变化、不需要维护任何状态的类方法，如java.lang.Math，里面每种计算方法基本都是固定不变的。
> 
>       单例模式保证一个类对象实例的唯一性，有面向对象的特性，虽然扩展不容易，但还是可以被继承（protected权限的构造方法）、重写方法等。

### **3-2、Java反射攻击破坏单例模式** ###

>       上面6种Java单例模式实现方式除枚举方式外，其他的给实例构造函数protected或private权限，依然可以通过相关反射方法，改变其权限，创建多个实例，如下：
> 
> >     public class Test {
> >     
> >         public static void main(String args[]) {
> >          
> >             Singleton singleton = Singleton.getInstance();
> >     
> >            try {
> >     
> >                 Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
> >                 constructor.setAccessible(true);
> >                 Singleton singletonnew = constructor.newInstance();
> >                 System.out.println(singleton == singletonnew);
> >     
> >             } catch (Exception e) {
> >     
> >             }     
> >         }
> >     }
> > 
> > 输出结果：false
> 
>       可以给构造函数加上判断，限制创建多个实例，如下：
> 
> >     private Singleton() {
> >     
> >         if (null != Singleton.singleton) {
> >     
> >             throw new RuntimeException();
> >         }
> >     }

### **3-3、反序列化攻击破坏单例模式** ###

>       很多语言、框架都支持对象的序列化，对象序列化后再进行存储或传输，以获得更好的效率，之后再反序列化得到同样的对象信息。
> 
>       同样，前面6种Java单例模式实现方式除枚举方式外，其他方式用一样的序列化数据，可以多次反序列出多个不同的实例对象。
> 
>       对于Java语言提供的序列化/反序列化机制，需要单例类实现java.io.Serializable接口；而在在反序列化时会调用实例的readResolve()方法，只要加入该方法，并在方法中指定返回单例对象，就不会再新建一个对象，如下：
> 
> >     private Object readResolve() {
> >         return Singleton.singleton;
> >     }
> 
>       另外，最好还要确保该类的所有实例域都为基本类型，或者是transient的。否则，还是可能受到攻击破坏。
> 
>       更多信息，可以参考：
> 
> >       《Effective Java》第二版 第77条：对于实例控制，枚举类型优先于readResolve

### **3-4、单例模式中的单例对象会不会被垃圾回收？** ###

>       对于JDK1.2后的JVM HotSpot来说，判断对象可以回收需要经过可达性分析，由于单例对象被其类中的静态变量引用，所以JVM认为对象是可达的，不会被回收。
> 
>       另外，对于JVM方法区回收，由堆中存在单例对象，所以单例类也不会被卸载，其静态变量引用也不会失效。

### **3-5、多JVM/ClassLoader的系统使用单例类** ###

>       不同ClassLoader加载同一个类，对类本身的对象（Singleton.class）来说是不一样的，所以可以创建出不同的单例对象，对不同JVM的情况更是如此，这些在JavaEE开发中还是比较常见。
> 
>       所以，在多JVM/ClassLoader的系统使用单例类，需要注意单例对象的状态，最好使用无状态的单例类。

### **3-6、Spring（IOC框架）实现的单例**        ###

>       Spring的一个核心功能控制反转（Inversion of Contro，IOC），或称依赖注入（dependency injection ，DI）：  
> 
> 
> >       高层模块通过接口编程，然后通过配置Spring的XML文件或注解来注入具体的实现类（Bean）。  
> >       这样的好处的很容易扩展，想要更换其他实现类时，只需要修改配置就可以了。  
> > 
> 
>       其功能是通过IOC容器来实现，其默认生成的Bean是单例的：  
> 
> 
> >       在整个应用中（一般只用一个IOC容器），只创建Bean的一个实例，多次注入同一具体类时都是注入同一个实例。  
> > 
> 
>     ** **  **IOC容器来实现过程简述如下：**  
> 
> 
> >       当需要注入Bean时，IOC容器首先解析配置找到具体类，然后判断其作用域（@Scope注解）；  
> >       如果是默认的单例@Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE\_SINGLETON)，则查找容器中之前有没有为其创建了Bean实例；  
> > 
> > 
> >       如果有则直接注入该Bean实例，如果没有生成一个放到容器中保存（ConcurrentHashMap -- map.put(bean\_id, bean)），再注入。
> > 
> >       注：其中解析配置查找具体类、生成Bean实例和注入过程都是通过Java反射机制实现的。  
> > 
> 
>       从上面可以了解到，Spring实现的单例和我们所说的单例设计模式不是一个概念：  
> 
> 
> >     ** **  **前者是IOC容器通过Java反射机制实现，后者只是一种编程方法（套路）。**  
> >        但总的来说，它们都可以实现“单例”。

## **4、总结** ##

> **      单例模式：**  
> 
> 
> > **      （1）、单例模式可以在一些应用场景带来很好的效果，但不能滥用，因为单例模式并不是一种很好的模式。**
> > 
> > **      （2）、单例模式有多种实现方式，没有特殊要求的，用最基本、最简单的饿汉式，需要延时加载的使用静态内部类方式，需要高安全性的可以使用枚举方式；**
> > 
> > **      （3）、对其他关注点应有所了解，有时间可以深入探究，扩展知识面。**

>   
> 
> 
>       到这里，我们对单例模式有了一个大体的了解，后面我们将了解其他的设计模式......
> 
>   
>

【参考资料】

1、《Design Patterns》GoF 3.5 SINGLETON（单例）

2、《Head First设计模式》5 单例模式

3、《Java与模式》第15章 单例（SINGLETON）模式

4、《大话设计模式》第21章 有些类也需要计划生育—单例模式

5、《Effective Java》第二版 第3条 用私有构造器或者枚举类型强化Singleton属性  等等

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