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单例模式大全,反射拆解!你要的8种单例都在这!

单例模式几乎是面试中必考的设计模式。单例到底有几种写法呢?每种写法有什么不同,怎么来保证线程安全?反射怎么破解单例模式?被破解后又该怎么更改?本文用奇淫技巧的方式,带你玩转单例模式。单例模式大全,反射爆破拆解!你要的8种单例都在这!

本文讲述单例设计模式的8种方式,反射和单例的相爱相杀🙃


单例模式

单例模式:类的对象有且只有一个

首先控制对象的产生数量:将构造方法私有化(从源头控制对象数量,控制构造方法)

构造方法私有化:

  • 任何其他类均无法参生此对象(本质是任何他类均无法调用构造方法,所以无法产生对象)

  • 唯一的一个对象产生于类内部

  • 唯一的属性为<静态属性>,并且类中提供静态方法取得此对象。因为类的外部无法产生对象,因此无法调用对象方法

1. 饿汉式–静态常量

饿汉式单例,顾名思义,就是很饥渴🙃,一上来就new产生实例化对象

/**
* 饿汉式三个核心组成
*   1.构造方法私有化
*   2.类内部提供静态私有域
*   3.类内部提供静态方法返回唯一对象
*/
class Singletons {
//唯一的对象在类加载时产生
private final static Singletons single = new Singletons();
//构造方法私有化
private Singletons() { }
//静态方法-----为什么是静态方法??
//因为在类的外部无法产生对象,因此无法调用对象方法
//通过getter方法取得唯一的对象
public static Singletons getInstance(){
return single;
}
public void print() {
System.out.println("饿汉式单例,上来直接new……");
}
}
public class HungrySingleton01 {
public static void main(String[] args) {
//不能直接new,而是通过 Singleton.getInstance()静态方法取得类中已经产生好的对象
Singletons single = Singletons.getInstance();
Singletons single1 = Singletons.getInstance();
System.out.println(single == single1);
single.print();
}
}
 

因为是静态常量,single和single1一定是同一个对象,所在的内存地址是相同的

饿汉式单例 (静态常量)

【优点】:书写简单,类加载时就完成了实例化,避免了线程同步问题

【缺点】:在类加载就完成实力化,没有达到懒加载的效果。如果从始至终没有使用过这个实例对象,会造成内存浪费

【总结】

  • 可用,但是可能会造成内存资源的浪费

2. 饿汉式–静态代码块

class Singleton02 {
private static Singleton02 single;
private Singleton02() { }
static {
single = new Singleton02();
}
public static Singleton02 getInstance(){
return single;
}
public void print() {
System.out.println("饿汉式单例,静态代码块方式");
}
}
public class HungrySingleton02 {
public static void main(String[] args) {
Singleton02 single = Singleton02.getInstance();
Singleton02 single1 = Singleton02.getInstance();
System.out.println(single == single1);
single.print();
}
}
 

饿汉式单例 (静态代码块)

这种方式的优缺点和上面第一种静态变量的没差别,区别就是初始化的位置不同,初始化的过程放到了静态代码块。

3. 懒汉式–线程不安全

当第一次去使用Singleton对象的时候才会为其产生实例化对象

通过一个静态公有方法,当使用到该方法时,才创建对象(懒汉式)

/**
* @Author: Mr.Q
* @Description:懒汉式单例---线程不安全
* 特点: 当第一次去使用Singleton对象的时候才会为其产生实例化对象的操作.
*/
class Singleton {
private static Singleton single;
//private 声明无参构造
private Singleton() { }
//静态公有方法,当使用到该方法时,才创建对象(懒汉式)
public static Singleton getInstance(){
if(single == null) {
single = new Singleton();
}
return single;
}
public void print() {
System.out.println("懒汉式单例(线程不安全),用的时候再new产生对象……");
}
}
public class LazySingleton {
public static void main(String[] args) {
Singleton single = Singleton.getInstance();
Singleton single1 = Singleton.getInstance();
System.out.println(single == single1);
single.print();
}
}
 

懒汉式单例 (线程不安全)

【优缺点】

这种写法是存在线程安全问题的。类比于上面两种饿汉式单例模式,它们在没有调用时虽然会造成内存资源的浪费,但是是安全的。因为在类加载时就完成了实例化,避免了线程同步问题。

但是这种懒汉式写法,起到了懒加载效果,但是只能在单线程下使用

【线程安全问题分析】

在多线程场景下,一个线程进入了getInstance方法的if条件判断if(single == null),还没来得及继续向下执行,另一个新进入的线程也通过了这个判断语句,这是就会产生多个实例,就不是单例的了。

所以此方法在多线程场景下不可使用。

4. 懒汉式–同步方法

既然线程不安全,那我们给他加把锁在getInstance方法上保证线程安全。

/**
* @Author: Mr.Q
* @Description:懒汉式单例---同步方法(效率太低)
*/
class Singleton04 {
private static Singleton04 single;
//private 声明无参构造
private Singleton04() { }
//静态公有方法,当使用到该方法时,才创建对象(懒汉式)
public synchronized static Singleton04 getInstance(){
if(single == null) {
single = new Singleton04();
}
return single;
}
public void print() {
System.out.println("懒汉式单例(线程安全),同步方法效率太低");
}
}
public class LazySingleton04 {
public static void main(String[] args) {
Singleton04 single = Singleton04.getInstance();
single.print();
}
}
 

懒汉式单例(同步方法)

【优点】:解决了线程不安全的问题

【缺点】

  • 效率太低。每个线程想要获取类的实例时,都要等在getInstance这个同步方法外,串型执行。但是由于是单例模式,只会产生一个实例化对象,第一个线程实例化完对象之后,后面的线程便不需要执行if的条件判断了,直接return即可,但是在进入同步方法时每次都要等待,效率太低。

5. 懒汉式–同步代码块

先来说一种错误示范

if条件中添加同步代码块

这段代码看起来很完美,很可惜,它是有问题。主要在于single= new Singleton()这句,这并非是一个原子操作。

此处由于不是原子操作,编译器可能会产生指令重排的问题,所以需要保证原子性,同时加上双重if条件判断。懒汉式 (同步代码块)正确的写法应该是双重检查DCL

6. 双重检查DCL

volatile关键字修饰,轻量级锁,可以使修改值修改后立即更新到主存

private volatile static SafeSingleton single = null;
 

【这里添加volatile的原因是】

single = new SafeSingleton();
 

创建对象这条语句不是原子操作

new关键字创建对象的过程分为三步:

  1. 分配内存空间;

  2. 堆内存上创建对象(执行构造方法);

  3. 将对象的引用指向堆内存;

由于不是原子操作,就可能产生指令重排的问题。

步骤2和步骤3可能会被编译器指令重排,1 -> 2 -> 3的执行顺序变为了1 -> 3 -> 2

先把对象的应用空间指向堆空间,然后再在堆上创建对象。(理解为图书馆占座位,人还没到,但是位置上却被占用了)

判断非空,但是实际拿到的对象还未完成初始化去创建,就会出现空指针异常

所以要防止指令重排,保证有序性,及时通知其线程single的实时状态,就必须加上volatile关键字来防止指令重排,保证1 -> 2 -> 3的执行顺序。

class SafeSingleton {
//使用volatile关键字保其可见性
private volatile static SafeSingleton single = null;
private SafeSingleton() { }
//同步代码块上锁
public static SafeSingleton getInstance() {
if(single == null) {
synchronized (SafeSingleton.class) {
//双重检查
if (single == null) {
single = new SafeSingleton();
}
}
}
return single;
}
public void print() {
System.out.println("双重检测锁的DCL单例");
}
}
public class ReflectDCL {
public static void main(String[] args) {
//静态方法取得类中已经产生好的对象
SafeSingleton single = SafeSingleton.getInstance();
single.print();
}
}
 

【双重检查分析】

  • Double-Check概念是多线程开发中常使用到的,如代码中所示,我们进行了两次if(single == null)的检查,这样就可以保证线程安全了。

  • 这样,实例化代码只用执行一次,后面再次访问时,判断if(single == null)直接 return实例化对象,也避免的反复进行方法同步

  • 线程安全;延迟加载;效率较高

7. 静态内部类

我们首先对静态内部类做一个回顾👉还好面试官还没问,赶紧把【内部类】的知识点补上

静态内部类也是作为一个外部类的静态成员而存在,创建一个类的静态内部类对象不需要依赖其外部类对象

  • 在外部类加载时,静态内部类不会被立即加载,而是在外部类中被使用时才会加载,这符合懒加载的策略。

  • 当我们在外部类中调用静态内部类时,会被加载,并且只会被加载一次,在加载时线程是安全的,保障了线程的安全性。

class StaticInner {
private StaticInner() { }
//静态内部类
private static class Singleton {
private static final StaticInner INSTANCE = new StaticInner();
}
public static StaticInner getSingleton() {
return Singleton.INSTANCE;
}
public void print() {
System.out.println("静态内部类的线程安全的懒汉式单例");
}
}
public class StaticInnerSingle06 {
public static void main(String[] args) {
StaticInner single = StaticInner.getSingleton();
single.print();
}
}
 

静态内部类

  1. 这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程
  2. 静态内部类方式在外部类被加载时并不会立即变例化,而是在需要实例化时,调用getSingleton方法,才会装载 Singleton内部类,从而完成外部类的实例化。
  3. 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,所以在这里,JVM帮助我们保证了线程的安全性,在类进行初始化时,别的线程是无法进入的
  4. 优点:避免了线程不安全,利用静态内部类的特点实现延迟加载,效率高

8. 枚举

这借助DK15中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题,而且还能防止反序列化重新创建新的对象。

enum Singleton {
INSTANCE; //属性
public static Singleton getInstance() {
return Singleton.INSTANCE;
}
}
public class Enum07 {
public static void main(String[] args) {
Singleton single = Singleton.getInstance();
Singleton single1 = Singleton.getInstance();
System.out.println(single == single1);
}
}
 

9. 反射!为所欲为?

先来对反射的内容做个回顾👉反射,就是要为所欲为

DCL双重检查破坏

通过反射或者序列化会破坏单例,我们就以线程安全的DCL单例来说明。

还是tittle6的代码,我们通过反射来破坏

public static void main(String[] args) throws Exception {
SafeSingleton single = SafeSingleton.getInstance();
Constructor<SafeSingleton> dc = SafeSingleton.class.getDeclaredConstructor();
dc.setAccessible(true);
SafeSingleton singleCopy = dc.newInstance();
//false,单例被破坏
System.out.println(singleCopy == single);
}
 

结果输出:false

输出为false,说明单例模式创建了两个对象,被反射破坏了。那如何解决呢?

首先,反射是通过无参构造来创建class对象的,我们在SafeSingleton的构造中再加一把锁来判断:

class SafeSingleton {
//使用volatile关键字保其可见性
private volatile static SafeSingleton single = null;
private SafeSingleton() {
synchronized (SafeSingleton.class) {
if (single != null) {
throw new RuntimeException("Don't destroy by reflection");
}
}
}
//同步代码块上锁
public static SafeSingleton getInstance() {
if(single == null) {
synchronized (SafeSingleton.class) {
//双重检查
if (single == null) {
single = new SafeSingleton();
}
}
}
return single;
}
}
public class ReflectDCL {
public static void main(String[] args) throws Exception {
SafeSingleton single = SafeSingleton.getInstance();
Constructor<SafeSingleton> dc = SafeSingleton.class.getDeclaredConstructor();
dc.setAccessible(true);
SafeSingleton singleCopy = dc.newInstance();
//false,单例被破坏
System.out.println(singleCopy == single);
}
}
 

问题解决,此时反射无法创建对象。

问题又双出现

刚才单例的对象是通过私有构造方法创建的,即调用了getInstance()方法。但是,我不用这样创建,我唯一一个对象也是通过反射来创建呢?

SafeSingleton single = SafeSingleton.getInstance();
 

换成

SafeSingleton single = dc.newInstance();
 

这时,单例模式又出幺蛾子了,又被反射爆破了!

问题解决

我们可以通过添加一个标志位flag来判断,防止反射破坏

class SafeSingleton03 {
//使用volatile关键字保其可见性
private volatile static SafeSingleton03 single = null;
//添加标志位
private static boolean flag = false;
private SafeSingleton03() {
synchronized (SafeSingleton03.class) {
if (flag == false) {
flag = true;
}else {
throw new RuntimeException("Don't destroy by reflection");
}
}
}
//同步代码块上锁
public static SafeSingleton03 getInstance() {
if(single == null) {
synchronized (SafeSingleton03.class) {
//双重检查
if (single == null) {
single = new SafeSingleton03();
}
}
}
return single;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Constructor<SafeSingleton03> dc = SafeSingleton03.class.getDeclaredConstructor();
dc.setAccessible(true);
SafeSingleton03 single = dc.newInstance();
SafeSingleton03 singleCopy = dc.newInstance();
System.out.println(single);
System.out.println(singleCopy);
System.out.println(single == singleCopy);
}
}
 

再次执行,我们发现标志位法可以拦截两次反射的破坏。

问题又双叒出现

在反射中,我们不仅可以获取构造方法呀,还可以获取成员变量呀。那flag通过反射获取并修改,不就有不行了?

class SafeSingleton03 {
//使用volatile关键字保其可见性
private volatile static SafeSingleton03 single = null;
//添加标志位
private static boolean flag = false;
private SafeSingleton03() {
synchronized (SafeSingleton03.class) {
if (flag == false) {
flag = true;
}else {
throw new RuntimeException("Don't destroy by reflection");
}
}
}
//同步代码块上锁
public static SafeSingleton03 getInstance() {
if(single == null) {
synchronized (SafeSingleton03.class) {
//双重检查
if (single == null) {
single = new SafeSingleton03();
}
}
}
return single;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Constructor<SafeSingleton03> dc = SafeSingleton03.class.getDeclaredConstructor();
dc.setAccessible(true);
SafeSingleton03 single = dc.newInstance();
//再次通过反射修改属性值
Field flag = SafeSingleton03.class.getDeclaredField("flag");
flag.setAccessible(true);
flag.set(dc,false);
SafeSingleton03 singleCopy = dc.newInstance();
System.out.println(single);
System.out.println(singleCopy);
System.out.println(single == singleCopy);
}
}
 

通过代码验证,我们发现确实又双出现问题了!

那这,又该怎么搞?

问题,就出在了newInstance方法上,通过反射来创建对象。

我们点开源码看看👀

咦,枚举自带单例模式,反射还破坏不了。是这样吗?我们继续验证

问题最终解决

测试反射能否破坏枚举式单例

enum EnumSingleton {
INSTANCE;
}
public class EnumTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
EnumSingleton single = EnumSingleton.INSTANCE;
Constructor<EnumSingleton> dc = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
dc.setAccessible(true);
EnumSingleton singleCopy = dc.newInstance();
System.out.println(single);
System.out.println(singleCopy);
System.out.println(single == singleCopy);
}
}
 

至于为什么反射获取的构造方法传入String、int参数,需要通过Jad反编译来查看。不能传入空参构造,否则出现的是NoSuchMethodException

出现源码中抛出的异常IllegalArgumentException

程序最终抛出:java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects异常


总结

在JDK中,java.lang.Runtime就是经典的单例模式

singleCopy = dc.newInstance();

    System.out.println(single);
System.out.println(singleCopy);
System.out.println(single == singleCopy);
}
 

}


> 至于为什么反射获取的构造方法传入String、int参数,需要通过[Jad](http://java-decompiler.github.io/)反编译来查看。**不能传入空参构造**,否则出现的是`NoSuchMethodException`
出现源码中抛出的异常`IllegalArgumentException`
[外链图片转存中...(img-v08jSJlp-1592189800203)]
> 程序最终抛出:java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects异常
--------------------------------------------
## 总结
在JDK中,`java.lang.Runtime`就是经典的单例模式
[外链图片转存中...(img-DlGafTDn-1592189800204)]
掌握这样一些单例模式的奇淫技巧,在历经反射的重重爆破之后,相信你会对单例模式有新的了解! 

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