浅谈设计模式-单例模式

偏执的太偏执、 2023-02-23 12:13 2阅读 0赞

### Intent ###

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

### Class Diagram ###

**使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。**

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

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### Implementation ###

Ⅰ 懒汉式-线程不安全

以下实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 `if (uniqueInstance == null)` ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 `uniqueInstance = new Singleton();` 语句，这将导致实例化多次 uniqueInstance。

public class Singleton {
    
        private static Singleton uniqueInstance;
    
        private Singleton() {
        }
    
        public static Singleton getUniqueInstance() {
            if (uniqueInstance == null) {
                uniqueInstance = new Singleton();
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

Ⅱ 饿汉式-线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化多次，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。但是直接实例化的方式也**丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处**。（程序没有用到，也为该实例开辟了一块地址）

private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

Ⅲ 懒汉式-线程安全

只需要对 **getUniqueInstance() 方法加锁**，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了实例化多次 uniqueInstance。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，即使 uniqueInstance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长，因此该方法有性能问题，不推荐使用。

public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }

Ⅳ 双重校验锁-线程安全

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

public class Singleton {
    
        private volatile static Singleton uniqueInstance;
    
        private Singleton() {
        }
    
        public static Singleton getUniqueInstance() {
            if (uniqueInstance == null) {
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (uniqueInstance == null) {
                        uniqueInstance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 `uniqueInstance = new Singleton();` 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句：第一个 if 语句用来避免 uniqueInstance 已经被实例化之后的加锁操作，而第二个 if 语句进行了加锁，所以只能有一个线程进入，就不会出现 uniqueInstance == null 时两个线程同时进行实例化操作。

if (uniqueInstance == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
    }

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， `uniqueInstance = new Singleton();` 这段代码其实是分为三步执行：

1.  为 uniqueInstance 分配内存空间
2.  初始化 uniqueInstance
3.  将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

Ⅴ 静态内部类实现

当 Singleton 类被加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 `getUniqueInstance()` 方法从而触发 `SingletonHolder.INSTANCE` 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例，并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。

public class Singleton {
    
        private Singleton() {
        }
    
        private static class SingletonHolder {
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
        }
    
        public static Singleton getUniqueInstance() {
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
    }

Ⅵ 枚举实现

public enum Singleton {
    
        INSTANCE;
    
        private String objName;
    
    
        public String getObjName() {
            return objName;
        }
    
    
        public void setObjName(String objName) {
            this.objName = objName;
        }
    
    
        public static void main(String[] args) {
    
            // 单例测试
            Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
            firstSingleton.setObjName("firstName");
            System.out.println(firstSingleton.getObjName());
            Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
            secondSingleton.setObjName("secondName");
            System.out.println(firstSingleton.getObjName());
            System.out.println(secondSingleton.getObjName());
    
            // 反射获取实例测试
            try {
                Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
                for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
                    System.out.println(enumConstant.getObjName());
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

firstName
    secondName
    secondName
    secondName

该实现可以防止反射攻击。在其它实现中，通过 **setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public**，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。

该实现在多次序列化和序列化之后，不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段，并且实现序列化和反序列化的方法。

## ##

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