1、基本介绍

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：

1. 一个班级只有一个班主任。
2. Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
3. 一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：

• 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
• 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：

没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：

1. 要求生产唯一序列号。
2. WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
3. 创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

单例设计模式分类两种：

• 饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建
• 懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建

2、饿汉式

饿汉式在类加载的过程导致该单实例对象被创建，虚拟机会保证类加载的线程安全，但是如果只是为了加载该类不需要实例，则会造成内存的浪费

• 静态变量的方式：

  publicfinalclassSingleton{// 私有构造方法privateSingleton(){}// 在成员位置创建该类的对象privatestaticfinalSingletoninstance=newSingleton();// 对外提供静态方法获取该对象publicstaticSingletongetInstance(){returninstance;}// 解决序列化问题protectedObjectreadResolve(){returnINSTANCE;}}

  • 加 final 修饰，所以不会被子类继承，防止子类中不适当的行为覆盖父类的方法，破坏了单例

  • 防止反序列化破坏单例的方式：

    • 对单例声明 transient，然后实现 readObject(ObjectInputStream in) 方法，复用原来的单例

      条件：访问权限为 private/protected、返回值必须是 Object、异常可以不抛

    • 实现 readResolve() 方法，当 JVM 从内存中反序列化地组装一个新对象，就会自动调用 readResolve 方法返回原来单例

  • 构造方法设置为私有，防止其他类无限创建对象，但是不能防止反射破坏

  • 静态变量初始化在类加载时完成，由 JVM 保证线程安全，能保证单例对象创建时的安全

  • 提供静态方法而不是直接将 INSTANCE 设置为 public，体现了更好的封装性、提供泛型支持、可以改进成懒汉单例设计

• 静态代码块的方式：

  publicclassSingleton{// 私有构造方法privateSingleton(){}// 在成员位置创建该类的对象privatestaticSingletoninstance;static{instance=newSingleton();}// 对外提供静态方法获取该对象publicstaticSingletongetInstance(){returninstance;}}

• 枚举方式：枚举类型是所用单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式

  publicenumSingleton{INSTANCE;publicvoiddoSomething(){System.out.println("doSomething");}}publicstaticvoidmain(String[]args){Singleton.INSTANCE.doSomething();}

  • 问题1：枚举单例是如何限制实例个数的？每个枚举项都是一个实例，是一个静态成员变量
  • 问题2：枚举单例在创建时是否有并发问题？否
  • 问题3：枚举单例能否被反射破坏单例？否，反射创建对象时判断是枚举类型就直接抛出异常
  • 问题4：枚举单例能否被反序列化破坏单例？否
  • 问题5：枚举单例属于懒汉式还是饿汉式？饿汉式
  • 问题6：枚举单例如果希望加入一些单例创建时的初始化逻辑该如何做？添加构造方法

  反编译结果：

  publicfinalclassSingletonextendsjava.lang.Enum<Singleton>{// Enum实现序列化接口publicstaticfinalSingletonINSTANCE=newSingleton();}

  3、懒汉式

  • 线程不安全

    publicclassSingleton{// 私有构造方法privateSingleton(){}// 在成员位置创建该类的对象privatestaticSingletoninstance;// 对外提供静态方法获取该对象publicstaticSingletongetInstance(){if(instance==null){// 多线程环境，会出现线程安全问题，可能多个线程同时进入这里instance=newSingleton();}returninstance;}}

  • 双端检锁机制

    在多线程的情况下，可能会出现空指针问题，出现问题的原因是 JVM 在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作，所以需要使用volatile关键字

    publicclassSingleton{// 私有构造方法privateSingleton(){}privatestaticvolatileSingletoninstance;// 对外提供静态方法获取该对象publicstaticSingletongetInstance(){// 第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例if(instance==null){synchronized(Singleton.class){// 抢到锁之后再次判断是否为nullif(instance==null){instance=newSingleton();}}}returninstance;}}

  • 静态内部类方式

    publicclassSingleton{// 私有构造方法privateSingleton(){}privatestaticclassSingletonHolder{privatestaticfinalSingletonINSTANCE=newSingleton();}// 对外提供静态方法获取该对象publicstaticSingletongetInstance(){returnSingletonHolder.INSTANCE;}}

    • 内部类属于懒汉式，类加载本身就是懒惰的，首次调用时加载，然后对单例进行初始化

      类加载的时候方法不会被调用，所以不会触发 getInstance 方法调用 invokestatic 指令对内部类进行加载；加载的时候字节码常量池会被加入类的运行时常量池，解析工作是将常量池中的符号引用解析成直接引用，但是解析过程不一定非得在类加载时完成，可以延迟到运行时进行，所以静态内部类实现单例会延迟加载

    • 没有线程安全问题，静态变量初始化在类加载时完成，由 JVM 保证线程安全

  4、破坏单例

  反序列化

  将单例对象序列化再反序列化，对象从内存反序列化到程序中会重新创建一个对象，通过反序列化得到的对象是不同的对象，而且得到的对象不是通过构造器得到的，反序列化得到的对象不执行构造器

  • Singleton

    publicclassSingletonimplementsSerializable{//实现序列化接口// 私有构造方法privateSingleton(){}privatestaticclassSingletonHolder{privatestaticfinalSingletonINSTANCE=newSingleton();}// 对外提供静态方法获取该对象publicstaticSingletongetInstance(){returnSingletonHolder.INSTANCE;}}

  • 序列化

    publicclassTest{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{//往文件中写对象//writeObject2File();//从文件中读取对象Singletons1=readObjectFromFile();Singletons2=readObjectFromFile();//判断两个反序列化后的对象是否是同一个对象System.out.println(s1==s2);}privatestaticSingletonreadObjectFromFile()throwsException{//创建对象输入流对象ObjectInputStreamois=newObjectInputStream(newFileInputStream("C://a.txt"));//第一个读取Singleton对象Singletoninstance=(Singleton)ois.readObject();returninstance;}publicstaticvoidwriteObject2File()throwsException{//获取Singleton类的对象Singletoninstance=Singleton.getInstance();//创建对象输出流ObjectOutputStreamoos=newObjectOutputStream(newFileOutputStream("C://a.txt"));//将instance对象写出到文件中oos.writeObject(instance);}}

  • 解决方法：

    在 Singleton 类中添加readResolve()方法，在反序列化时被反射调用，如果定义了这个方法，就返回这个方法的值，如果没有定义，则返回新创建的对象

    privateObjectreadResolve(){returnSingletonHolder.INSTANCE;}

    ObjectInputStream 类源码分析：

    publicfinalObjectreadObject()throwsIOException,ClassNotFoundException{//...Objectobj=readObject0(false);//重点查看readObject0方法}privateObjectreadObject0(booleanunshared)throwsIOException{try{switch(tc){caseTC_OBJECT:returncheckResolve(readOrdinaryObject(unshared));}}}privateObjectreadOrdinaryObject(booleanunshared)throwsIOException{// isInstantiable 返回true，执行 desc.newInstance()，通过反射创建新的单例类obj=desc.isInstantiable()?desc.newInstance():null;// 添加 readResolve 方法后 desc.hasReadResolveMethod() 方法执行结果为trueif(obj!=null&&handles.lookupException(passHandle)==null&&desc.hasReadResolveMethod()){// 通过反射调用 Singleton 类中的 readResolve 方法，将返回值赋值给rep变量// 多次调用ObjectInputStream类中的readObject方法，本质调用定义的readResolve方法，返回的是同一个对象。Objectrep=desc.invokeReadResolve(obj);}returnobj;}

反射破解

• 反射

  publicclassTest{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{//获取Singleton类的字节码对象Classclazz=Singleton.class;//获取Singleton类的私有无参构造方法对象Constructorconstructor=clazz.getDeclaredConstructor();//取消访问检查constructor.setAccessible(true);//创建Singleton类的对象s1Singletons1=(Singleton)constructor.newInstance();//创建Singleton类的对象s2Singletons2=(Singleton)constructor.newInstance();//判断通过反射创建的两个Singleton对象是否是同一个对象System.out.println(s1==s2);//false}}

• 反射方式破解单例的解决方法：

  publicclassSingleton{privatestaticvolatileSingletoninstance;// 私有构造方法privateSingleton(){// 反射破解单例模式需要添加的代码if(instance!=null){thrownewRuntimeException();}}// 对外提供静态方法获取该对象publicstaticSingletongetInstance(){if(instance!=null){returninstance;}synchronized(Singleton.class){if(instance!=null){returninstance;}instance=newSingleton();returninstance;}}}

Runtime

Runtime 类就是使用的单例设计模式中的饿汉式

publicclassRuntime{privatestaticRuntimecurrentRuntime=newRuntime();publicstaticRuntimegetRuntime(){returncurrentRuntime;}privateRuntime(){}...}

使用 Runtime

publicclassRuntimeDemo{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{//获取Runtime类对象Runtimeruntime=Runtime.getRuntime();//返回 Java 虚拟机中的内存总量。System.out.println(runtime.totalMemory());//返回 Java 虚拟机试图使用的最大内存量。System.out.println(runtime.maxMemory());//创建一个新的进程执行指定的字符串命令，返回进程对象Processprocess=runtime.exec("ipconfig");//获取命令执行后的结果，通过输入流获取InputStreaminputStream=process.getInputStream();byte[]arr=newbyte[1024*1024*100];intb=inputStream.read(arr);System.out.println(newString(arr,0,b,"gbk"));}}

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本篇文章到这里就结束了，最后送大家一句话：
白驹过隙，沧海桑田