这篇文章主要介绍了java设计模式之怎么实现单例模式的相关知识,内容详细易懂,操作简单快捷,具有一定借鉴价值,相信大家阅读完这篇java设计模式之怎么实现单例模式文章都会有所收获,下面我们一起来看看吧。
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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?
//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。
//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()
}
}
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!!
}
}
}
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 }
}
}
}
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。
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)
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 clazz = SingleTon.class;
Constructor 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.(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 clazz = SingleTon.class;
Constructor 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;
}
}
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");
}
}
}
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;
}
}
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)
Java主要应用于:1. web开发;2. Android开发;3. 客户端开发;4. 网页开发;5. 企业级应用开发;6. Java大数据开发;7.游戏开发等。
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