一起来分析java设计模式之单例
本篇文章给大家带来了关于java的相关知识， 其中主要介绍了关于设计模式中单例模式的相关内容，单例就一条基本原则是单例对象的类只会被初始化一次，下面一起来看一下，希望对大家有帮助。
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单元素的枚举类型经常成为实现 Singleton 的最佳方法 。
什么是单例？就一条基本原则，单例对象的类只会被初始化一次。在 Java 中，我们可以说在 JVM 中只存在该类的唯一一个对象实例。在 Android 中，我们可以说在程序运行期间，该类有且仅有一个对象实例。
单例模式的简单实现步骤：
构造方法私有，保证无法从外部通过 new 的方式创建对象。
对外提供获取该类实例的静态方法。
类的内部创建该类的对象，通过第 2 步的静态方法返回。
按照上述步骤写下你认为比较严谨的单例模式，然后看看你所写下的单例能否满足以下条件：
- 你的单例按需加载吗？
- 你的单例线程安全吗?
涉及到并发三要素：原子性、可见性、有序性 - 你的单例暴力反射和序列化安全吗？
一、饿汉式
//JAVA实现public class SingleTon { //第三步创建唯一实例
private static SingleTon instance = new SingleTon();
//第一步构造方法私有
private SingleTon() {
}
//第二步暴露静态方法返回唯一实例
public static SingleTon getInstance() { return instance;
}
}//Kotlin实现object SingleTon优点：设计简单 ，解决了多线程实例化的问题。
缺点：在虚拟机加载SingleTon类的时候，将会在初始化阶段为类静态变量赋值，也就是在虚拟机加载该类的时候（此时可能并没有调用 getInstance 方法）就已经调用了 new SingleTon(); 创建了该对象的实例，之后不管这个实例对象用不用，都会占据内存空间。
二、懒汉式
//JAVA实现public class SingleTon { //创建唯一实例
private static SingleTon instance = null;
private SingleTon() {
}
public static SingleTon getInstance() { //延迟初始化 在第一次调用 getInstance 的时候创建对象
if (instance == null) {
instance = new SingleTon();
} return instance;
}
}//Kotlin实现class SingleTon private constructor() { companion object { private var instance: SingleTon? = null
get() { if (field == null) {
field = SingleTon()
} return field
} fun get(): SingleTon{ return instance!!
}
}
}优点：设计也是比较简单的，和饿汉式不同，当这个Singleton被加载的时候，被static修饰的静态变量将会被初始化为null，这个时候并不会占用内存，而是当第一次调用getInstance方法的时候才会被初始化实例对象，按需创建。
缺点：在单线程环境下是没有问题的，在多线程环境下，会产生线程安全问题。在有两个线程同时 运行到了 instane == null这个语句，并且都通过了，那他们就会都各自实例化一个对象，这样就又不是单例了。
如何解决懒汉式在多线程环境下的多实例问题？
-
静态内部类
//JAVA实现public class SingleTon { private static class InnerSingleton{ private static SingleTon singleTon = new SingleTon(); } public SingleTon getInstance(){ return InnerSingleton.singleTon; } private SingleTon() { } }//kotlin实现class SingleTon private constructor() { companion object { val instance = InnerSingleton.instance } private object InnerSingleton { val instance = SingleTon() } }登录后复制 -
直接同步方法
//JAVA实现public class SingleTon { //创建唯一实例 private static SingleTon instance = null; private SingleTon() { } public static synchronized SingleTon getInstance() { if (instance == null) { instance = new SingleTon(); } return instance; } }//Kotlin实现class SingleTon private constructor() { companion object { private var instance: SingleTon? = null get() { if (field == null) { field = SingleTon() } return field } @Synchronized fun get(): SingleTon{ return instance!! } } }登录后复制优点：加锁只有一个线程能实例该对象，解决了线程安全问题。
缺点：对于静态方法而言，synchronized关键字会锁住整个 Class，每次调用getInstance方法都会线程同步，效率十分低下，而且当创建好实例对象之后，也就不必继续进行同步了。
备注：
此处的synchronized保证了操作的原子性和内存可见性。 -
同步代码块（双重检锁方式DCL）
//JAVA实现 public class SingleTon { //创建唯一实例 private static volatile SingleTon instance = null; private SingleTon() { } public static SingleTon getInstance() { if (instance == null) { synchronized (SingleTon.class) { if (instance == null) { instance = new SingleTon(); } } } return instance; } }//kotlin实现class SingleTon private constructor() { companion object { val instance: SingleTon by lazy(mode = LazyThreadSafetyMode.SYNCHRONIZED) { SingleTon() } } } 或者class SingleTon private constructor() { companion object { @Volatile private var instance: SingleTon? = null fun getInstance() = instance ?: synchronized(this) { instance ?: SingleTon().also { instance = it } } } }登录后复制优点：添加了一个同步代码块，在同步代码块中去判断实例对象是否存在，如果不存在则去创建，这个时候其实就完全可以解决问题了，因为虽然是多个线程去获取实例对象，但是在同一个时间也只会有一个线程会进入到同步代码块，那么这个时候创建好对象之后，其他线程即便再次进入同步代码块，由于已经创建好了实例对象，便直接返回即可。但是为什么还要在同步代码块的上一步再次去判断instance为空呢？这个是由于当我们创建好实例对象之后，直接去判断此实例对象是否为空，如果不为空，则直接返回就好了，就避免再次进去同步代码块了，提高了性能。
缺点：无法避免暴力反射创建对象。
备注：
此处的volatile发挥了内存可见性及防止指令重排序作用。
三、枚举实现单例
public enum SingletonEnum { INSTANCE; public static void main(String[] args) { System.out.println(SingletonEnum.INSTANCE == SingletonEnum.INSTANCE);
}
}枚举实现单例是最为推荐的一种方法，因为就算通过序列化，反射等也没办法破坏单例性。(关于Android使用枚举会产生性能问题的说法，这应该是Android 2.x系统之前内存紧张的时代了，现在已经Android 13了，相信某些场合枚举所带来的便利远远大于这点所谓的性能影响)
四、如何避免单例模式反射攻击
以最初的DCL为测试案例，看看如何进行反射攻击及又如何在一定程度上避免反射攻击。反射攻击代码如下：
public static void main(String[] args) {
SingleTon singleton1 = SingleTon.getInstance();
SingleTon singleton2 = null;
try {
Class<SingleTon> clazz = SingleTon.class;
Constructor<SingleTon> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
singleton2 = constructor.newInstance();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("singleton1.hashCode():" + singleton1.hashCode());
System.out.println("singleton2.hashCode():" + singleton2.hashCode());
}执行结果：
singleton1.hashCode():1296064247 singleton2.hashCode():1637070917
通过执行结果发现通过反射破坏了单例。 如何保证反射安全呢？只能以暴制暴，当已经存在实例的时候再去调用构造函数直接抛出异常，对构造函数做如下修改：
public class SingleTon { //创建唯一实例
private static volatile SingleTon instance = null;
private SingleTon() { if (instance != null) { throw new RuntimeException("单例构造器禁止反射调用");
}
}
public static SingleTon getInstance() { if (instance == null) {
synchronized (SingleTon.class) {
if (instance == null) {
instance = new SingleTon();
}
}
} return instance;
}
}此时可防御反射攻击,抛出异常如下：
java.lang.reflect.InvocationTargetException at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method) at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(NativeConstructorAccessorImpl.java:62) at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45) at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:423) at com.imock.demo.TestUtil.testSingleInstance(TestUtil.java:45) at com.imock.demo.TestUtil.main(TestUtil.java:33) Caused by: java.lang.RuntimeException: 单例构造器禁止反射调用 at com.imock.demo.SingleTon.<init>(SingleTon.java:16) ... 6 more Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException at com.imock.demo.TestUtil.testSingleInstance(TestUtil.java:49) at com.imock.demo.TestUtil.main(TestUtil.java:33) Process finished with exit code 1
然后我们把上述测试代码修改如下（调换了singleton1的初始化顺序）：
public static void main(String[] args) {
SingleTon singleton2 = null;
try {
Class<SingleTon> clazz = SingleTon.class;
Constructor<SingleTon> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
singleton2 = constructor.newInstance();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("singleton2.hashCode():" + singleton2.hashCode());
SingleTon singleton1 = SingleTon.getInstance(); //调换了位置，在反射之后执行
System.out.println("singleton1.hashCode():" + singleton1.hashCode());
}执行结果：
singleton2.hashCode():1296064247 singleton1.hashCode():1637070917
发现此防御未起到作用。
缺点：
- 如果反射攻击发生在正常调用getInstance之前，每次反射攻击都可以获取单例类的一个实例，因为即使私有构造器中使用了静态成员（instance） ，但单例对象并没有在类的初始化阶段被实例化，所以防御代码不生效，从而可以通过构造器的反射调用创建单例类的多个实例；
- 如果反射攻击发生在正常调用之后，防御代码是可以生效的；
如何避免序列化攻击？只需要修改反序列化的逻辑就可以了，即重写 readResolve() 方法，使其返回统一实例。
protected Object readResolve() { return getInstance();
}脆弱不堪的单例模式经过重重考验，进化成了完全体，延迟加载，线程安全，反射及序列化安全。简易代码如下：
-
饿汉模式
public class SingleTon { private static SingleTon instance = new SingleTon(); private SingleTon() { if (instance != null) { throw new RuntimeException("单例构造器禁止反射调用"); } } public static SingleTon getInstance() { return instance; } }登录后复制 -
静态内部类
public class SingleTon { private static class InnerStaticClass{ private static SingleTon singleTon = new SingleTon(); } public SingleTon getInstance(){ return InnerStaticClass.singleTon; } private SingleTon() { if (InnerStaticClass.singleTon != null) { throw new RuntimeException("单例构造器禁止反射调用"); } } }登录后复制 -
懒汉模式
public class SingleTon { //创建唯一实例 private static SingleTon instance = null; private SingleTon() { if (instance != null) { throw new RuntimeException("单例构造器禁止反射调用"); } } public static SingleTon getInstance() { //延迟初始化 在第一次调用 getInstance 的时候创建对象 if (instance == null) { instance = new SingleTon(); } return instance; } }登录后复制缺点：
- 如果反射攻击发生在正常调用getInstance之前，每次反射攻击都可以获取单例类的一个实例，因为即使私有构造器中使用了静态成员（instance） ，但单例对象并没有在类的初始化阶段被实例化，所以防御代码不生效，从而可以通过构造器的反射调用创建单例类的多个实例；
- 如果反射攻击发生在正常调用之后，防御代码是可以生效的。
（枚举实现单例是最为推荐的一种方法，因为就算通过序列化，反射等也没办法破坏单例性,底层实现比如newInstance方法内部判断枚举抛异常）
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以上是一起来分析java设计模式之单例的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！
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