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java单例模式 java单例模式实现的方法

蝴蝶刀刀   2021-04-22 我要评论

1.最基本的单例模式

/**
 * @author LearnAndGet
 * @time 2018年11月13日
 * 最基本的单例模式 */public class SingletonV1 { 
 private static SingletonV1 instance = new SingletonV1();; 
 //构造函数私有化
 private SingletonV1() {} public static SingletonV1 getInstance() 
 { return instance;
 }
}
import org.junit.Test;public class SingletonTest {
 
 @Test public void test01() throws Exception
 {
 SingletonV1 s1 = SingletonV1.getInstance();
 SingletonV1 s2 = SingletonV1.getInstance();
 System.out.println(s1.hashCode());
 System.out.println(s2.hashCode());
 }
}//运行结果如下:589873731
589873731

2.类加载时不初始化实例的模式

上述单例模式在类加载的时候,就会生成实例,可能造成空间浪费,如果需要修改成,在需要使用时才生成实例,则可修改代码如下:

public class SingletonV2 
{ private static SingletonV2 instance; //构造函数私有化 
 private SingletonV2() {} 
	 public static SingletonV2 getInstance()
	 { if(instance == null) 
 { instance = new SingletonV2();
	} 
	return instance; } 
	}

然而,上述方案虽然在类加载时不会生成实例,但是存在线程安全问题,如果线程A在执行到第10行时,线程B也进入该代码块,恰好也执行好第10行,此时如果实例尚未生成,则线程A和线程B都会执行第12行的代码,各自生成一个实例,此时就违背了单例模式的设计原则。实际测试代码如下:

public class SingletonTest {

 @Test public void test02() throws Exception
 { 
 for(int i=0;i<1000;i++) 
 {
 Thread th1 = new getInstanceThread();
 th1.start();
 }
 
 } 
 class getInstanceThread extends Thread
 { public void run() 
 { try 
 {
 SingletonV2 s = SingletonV2.getInstance();
 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get Instance "+s.hashCode()+" Time: "+System.currentTimeMillis());
 }catch(Exception e) 
 {
 e.printStackTrace();
 }
 }
 }
 
}

经过多次测试,可能产生如下输出结果:

3.线程安全的单例模式

在上述单例模式下进行改进,在getInstance方法前加入 Sychronized关键字,来实现线程安全,修改后代码如下:

 public class SingletonV3 { 
 
 private static SingletonV3 instance; 
 
 //构造函数私有化 
 private SingletonV3() {} 
 
    //synchronized关键字在静态方法上,锁定的是当前类: 
 public static synchronized SingletonV3 getInstance() 
 {
 if(instance == null) 
 
{
 instance = new SingletonV3();
 }
 return instance;
 }
 }

 增加sychronized关键字后,确实能够改善线程安全问题,但是也带来了额外的锁开销。性能受到一定影响。举例来说,此时如果有1000个线程都需要使用SingletonV3实例,因为加锁的位置在getInstance上,因此,每个线程都必须等待其他获取了锁的线程完全执行完锁中的方法后,才能够进入该方法并获取自己的实例。

4.双重校检+线程安全单例模式

  于是可以在上述代码的基础上,只有当Singleton实例未被初始化时,对实例化方法加锁即可。在Singleton实例已经被初始化时,无需加锁,直接返回当前Singleton对象。代码如下:

 private static SingletonV4 instance; 
 
 //构造函数私有化 
 private SingletonV4() {}
 
 public static SingletonV4 getInstance() 
 { 
 if(instance == null) 
 
 {
 synchronized(SingletonV4.class) 
 {
 //双重校检
 if(instance == null) 
 {
  instance = new SingletonV4();
  }
 }
 }
 return instance;
 }

5.内部类单例模式 

尽管上述方案解决了同步问题,双重校检也使得性能开销大大减小,但是,只有有synchronized关键字的存在。性能多多少少还是会有一些影响,此时,我们想到了 "内部类"的用法。

  ①.内部类不会随着类的加载而加载

  ②.一个类被加载,当且仅当其某个静态成员(静态域、构造器、静态方法等)被调用时发生。

  静态内部类随着方法调用而被加载,只加载一次,不存在并发问题,所以是线程安全。基于此,修改代码如下:

 public class SingletonV5 {
 //构造函数私有化
 private SingletonV5() {} 
 
 static class SingetonGet 
 { 
 private static final SingletonV5 instance = new SingletonV5(); 
 } 
 
 public static SingletonV5 getInstance() 
 {
 return SingetonGet.instance;
 }
 }

6.反射都不能破坏的单例模式

静态内部类实现的单例模式,是目前比较推荐的方式,但是在java功能强大反射的机制下,它就是个弟弟,此时利用反射仍然能够创建出多个实例,以下是创建实例的代码:

 @Test
 public void test4() 
 { 
 //普通方式获取实例s1,s2 
 SingletonV5 s1 = SingletonV5.getInstance(); 
 SingletonV5 s2 = SingletonV5.getInstance(); 
 //利用反射获取实例s3,s4 
 SingletonV5 s3 = null; 
 SingletonV5 s4 = null;
 try 
 {
 Class<SingletonV5> clazz = SingletonV5.class;
 Constructor<SingletonV5> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
 constructor.setAccessible(true);
 s3 = constructor.newInstance();
 s4 = constructor.newInstance();
 }catch(Exception e) 
 {
 e.printStackTrace();
 }
 
 System.out.println(s1.hashCode());
 System.out.println(s2.hashCode());
 System.out.println(s3.hashCode());
 System.out.println(s4.hashCode()); 
 }

输出结果如下:

589873731
589873731
200006406
2052001577

 可以看到,s1和s2拥有相同的哈希码,因此他们是同一个实例,但是s3、s4,是通过反射后用构造函数重新构造生成的实例,他们均与s1,s2不同。此时单例模式下产生了多个不同的对象,违反了设计原则。

基于上述反射可能造成的单例模式失效,考虑在私有的构造函数中添加是否初始化的标记位,使私有构造方法只可能被执行一次。

public class SingletonV6 { //是否已经初始化过的标记位
 private static boolean isInitialized = false; 
 //构造函数中,当实例已经被初始化时,不能继续获取新实例
 private SingletonV6() 
 { synchronized(SingletonV6.class) 
 { if(isInitialized == false) 
 {
 isInitialized = !isInitialized;
 }else 
 { throw new RuntimeException("单例模式被破坏...");
 }
 } 
 } static class SingetonGet
 { private static final SingletonV6 instance = new SingletonV6();
 } 
 public static SingletonV6 getInstance() 
 { return SingetonGet.instance;
 }
}

测试代码如下:

 @Test public void test5()
 { 
 SingletonV6 s1 = SingletonV6.getInstance();
 SingletonV6 s2 = null; try 
 {
 Class<SingletonV6> clazz = SingletonV6.class;
 Constructor<SingletonV6> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
 constructor.setAccessible(true);
 s2 = constructor.newInstance();

 }catch(Exception e) 
 {
 e.printStackTrace();
 } 
 System.out.println(s1.hashCode());
 System.out.println(s2.hashCode());
 }

运行上述代码时,会抛出异常:

java.lang.reflect.InvocationTargetException
 at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method)
 at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(Unknown Source)
 at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(Unknown Source)
 at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Unknown Source)
 at SingletonTest.SingletonTest.test5(SingletonTest.java:98)
 at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
 at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(Unknown Source)
 at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(Unknown Source)
 at java.lang.reflect.Method.invoke(Unknown Source)
 at org.junit.runners.model.FrameworkMethod$1.runReflectiveCall(FrameworkMethod.java:50)
 at org.junit.internal.runners.model.ReflectiveCallable.run(ReflectiveCallable.java:12)
 at org.junit.runners.model.FrameworkMethod.invokeExplosively(FrameworkMethod.java:47)
 at org.junit.internal.runners.statements.InvokeMethod.evaluate(InvokeMethod.java:17)
 at org.junit.runners.ParentRunner.runLeaf(ParentRunner.java:325)
 at org.junit.runners.BlockJUnit4ClassRunner.runChild(BlockJUnit4ClassRunner.java:78)
 at org.junit.runners.BlockJUnit4ClassRunner.runChild(BlockJUnit4ClassRunner.java:57)
 at org.junit.runners.ParentRunner$3.run(ParentRunner.java:290)
 at org.junit.runners.ParentRunner$1.schedule(ParentRunner.java:71)
 at org.junit.runners.ParentRunner.runChildren(ParentRunner.java:288)
 at org.junit.runners.ParentRunner.access$000(ParentRunner.java:58)
 at org.junit.runners.ParentRunner$2.evaluate(ParentRunner.java:268)
 at org.junit.runners.ParentRunner.run(ParentRunner.java:363)
 at org.eclipse.jdt.internal.junit4.runner.JUnit4TestReference.run(JUnit4TestReference.java:86)
 at org.eclipse.jdt.internal.junit.runner.TestExecution.run(TestExecution.java:38)
 at org.eclipse.jdt.internal.junit.runner.RemoteTestRunner.runTests(RemoteTestRunner.java:538)
 at org.eclipse.jdt.internal.junit.runner.RemoteTestRunner.runTests(RemoteTestRunner.java:760)
 at org.eclipse.jdt.internal.junit.runner.RemoteTestRunner.run(RemoteTestRunner.java:460)
 at org.eclipse.jdt.internal.junit.runner.RemoteTestRunner.main(RemoteTestRunner.java:206)
Caused by: java.lang.RuntimeException: 单例模式被破坏...
 at SingletonTest.SingletonV6.<init>(SingletonV6.java:26)
 ... 28 more2052001577

7.序列化反序列化都不能破坏的单例模式

经过上述改进,反射也不能够破坏单例模式了。但是,依然存在一种可能造成上述单例模式产生两个不同的实例,那就是序列化。当一个对象A经过序列化,然后再反序列化,获取到的对象B和A是否是同一个实例呢,验证代码如下:

/**
 * @Author {LearnAndGet}
 * @Time 2018年11月13日
 * @Discription:测试序列化并反序列化是否还是同一对象 */package SingletonTest;import java.io.FileInputStream;import java.io.FileOutputStream;import java.io.ObjectInput;import java.io.ObjectInputStream;import java.io.ObjectOutput;import java.io.ObjectOutputStream;public class Main { /**
 * @param args */
 public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub
 SingletonV6 s1 = SingletonV6.getInstance();
 
 ObjectOutput objOut = null; 
 try { //将s1序列化(记得将Singleton实现Serializable接口)
 objOut = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("c:\\a.objFile"));
 objOut.writeObject(s1);
 objOut.close(); 
 //反序列化得到s2
 ObjectInput objIn = new ObjectInputStream(new FileInputStream("c:\\a.objFile"));
 SingletonV6 s2 = (SingletonV6) objIn.readObject();
 objIn.close();
 
 System.out.println(s1.hashCode());
 System.out.println(s2.hashCode());
 
 } catch (Exception e) 
 { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace();
 }
 }

}

输出结果如下:

1118140819
990368553

可见,此时序列化前的对象s1和经过序列化->反序列化步骤后的到的对象s2,并不是同一个对象,因此,出现了两个实例,再次违背了单例模式的设计原则。

为了消除问题,在单例模式类中,实现Serializable接口之后 添加对readResolve()方法的实现:当从I/O流中读取对象时,readResolve()方法都会被调用到。实际上就是用readResolve()中返回的对象直接替换在反序列化过程中创建的对象,而被创建的对象则会被垃圾回收掉。这就确保了在序列化和反序列化的过程中没人可以创建新的实例,修改后的代码如下:

package SingletonTest;import java.io.Serializable;/**
 * @author LearnAndGet
 *
 * @time 2018年11月13日
 * 
 */public class SingletonV6 implements Serializable{ //是否已经初始化过的标记位
 private static boolean isInitialized = false; 
 //构造函数中,当实例已经被初始化时,不能继续获取新实例
 private SingletonV6() 
 { synchronized(SingletonV6.class) 
 { if(isInitialized == false) 
 {
 isInitialized = !isInitialized;
 }else 
 { throw new RuntimeException("单例模式被破坏...");
 }
 } 
 } static class SingetonGet
 { private static final SingletonV6 instance = new SingletonV6();
 } 
 public static SingletonV6 getInstance() 
 { return SingetonGet.instance;
 } //实现readResolve方法
 private Object readResolve() 
 { return getInstance();
 }
}

重新运行上述序列化和反序列过程,可以发现,此时得到的对象是同一对象。

1118140819
1118140819

8.总结

在实际开发中,根据自己的需要,选择对应的单例模式即可,不一样非要实现第7节中那种无坚不摧的单例模式。毕竟不是所有场景下都需要实现序列化接口, 也并不是所有人都会用反射来破坏单例模式。因此比较常用的是第5节中的,内部类单例模式,代码简洁明了,且节省空间。


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