24种设计模式之单例模式

一、核心作用：

保证一个类只有一个实例，并且提供一个访问该实例的全局访问点。

二、常见的应用场景：

1、Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式；

2、windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用．在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。

3、项目中，读取配置文件的类，一般也只有一对象。没有必要每次使用配置文件数据，每次new一个又对象去读取。

4、网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。

5、应用程序的日志应用，一般都可用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。

6、数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。

7、操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有1个文件系统。

8、Application也是单例的典型应用（Servlet编程中会涉及到）

9、在Spring中，每个Bean默认、就是单例的，这样做的优点是Spring容器可以管理

10、在Servlet编程中，每个Servlet也是单例

11、在SpringMVC框架/strutsl框架中，控制器对象也是单例。

三、单例模式的优点：

由于单例模式只生成一个实例，减少了系统性能开销，产生其他依赖对象时，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖烛象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决。

单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化并共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映身寸处理。

四、常见的五种单例实现方式：

1.主要：

饿汉式（线程安全，调用效率高。但是，不能延时加载。）

懒汉式（线程安全，调用效率不高。但是，可以延时加载。）

2.其它：

双重检测锁式（由于JVM底层内部模型原因，偶尔会出问题。不建议使用）

静态内部类式（线程安全，调用效率高。可以延时加载）

枚举单例（线程安全，调用效率高，不能延时加载。并且可以天然的防止反射和反序列化漏洞！）

五、代码演示

1.饿汉式

/*** 测试饿汉式单例模式**/
public class SingletonDemo01 {//类初始化时，立即加载这个对象（没有延时加载的优势）。加载类时，天然的是线程安全的！private static /* final */ SingletonDemo01 instance = new SingletonDemo01();private SingletonDemo01() {}// 私有化构造器//方法没有同步，调用效率高！public static /* synchronized */SingletonDemo01 getInstance() {return instance;}
}

饿汉式单例模式代码中，static变量会在类加载时初始化，此时也不会涉及多个线程访问该对象的问题。虚拟机保证只会装载一次该类，肯定不会发生并发访问的问题。因此，可以省略synchronized关键字。

问题：如果只是加载本类，而不是调用getInstance(),甚至永远没有调用，则会造成资源浪费！

2.懒汉式

public class SingletonDemo02 {//类初始化时，不初始化对象（延时加载，真正用的时候再创建）private static SingletonDemo02 instance;private SingletonDemo02() {}// 私有化构造器//方法同步，调用效率低！public static synchronized SingletonDemo02 getInstance() {if (null == instance) {instance = new SingletonDemo02();}return instance;}
}

要点：lazy load! 延迟加载，懒加载！真正用的时候才加载！

问题：资源利用率高了。但是，每次调用的getInstance()方法都要同步，并发效率较低。

3.双重检测锁式

/*** 双重检查实现单例模式**/
public class SingletonDemo03 {// 实例化对象的那行代码instance = new SingletonDemo03()，实际上可以分解成以下三个步骤：// 1.分配内存空间// 2.初始化对象// 3.将对象指向刚分配的内存空间// 但是有些编译器为了性能的原因，可能会将第二步和第三步进行重排序，顺序就成了：// 1.分配内存空间// 2.将对象指向刚分配的内存空间// 3.初始化对象// 即：多线程访问的时候，会出现这种错误状况：// 线程A检查instance为空，然后为instance分配内存空间，然后将instance指向内存空间。此时instance不为空，instance还未完成初始化，即未写（write），// 线程B也开始检查instance为非空，访问到的instance还未初始化异常信息。// 使用了volatile关键字后，重排序被禁止，所有的写（write）操作都将发生在读（read）操作之前。private volatile static SingletonDemo03 instance = null;private SingletonDemo03() {}// 私有化构造器public static SingletonDemo03 getInstance() {if (null == instance) {// 检查到instance为空synchronized (SingletonDemo03.class) {// 获取锁if (null == instance) {// 再次检查到instance为空// 1.为instance分配内存空间// 2.初始化instance对象// 3.将instance对象指向刚分配的内存空间instance = new SingletonDemo03();}}}return instance;}
}

这个模式将同步内容下方到if内部，提高了执行的效率。不必每次获取对象时都进行同步，只有第一次才同步创建了，以后就没有必要了。

问题：由于编译器优化原因和JVM底层内部模型原因，偶尔会出现问题。不建议使用。

4.静态内部类式

/*** 静态内部类实现单例模式* 线程安全，调用效率高，懒加载**/
public class SingletonDemo4 {private SingletonDemo4() {}// 私有化构造器private static class SingletonClassInstance{private static final SingletonDemo4 instance = new SingletonDemo4();}public static SingletonDemo4 getInstance() {return SingletonClassInstance.instance;}
}

要点：外部类没有static属性，则不会像饿汉式那样立即加载对象。只有真正调用getInstance();才会加载静态内部类，加载类时是线程安全的。instance是static final类型，保证了内存中只有这样一个实例存在，而且只能被赋值一次，从而保证了线程安全性。兼备了并发高效调用和延迟加载的优势！

5.枚举单例

/*** 枚举实现单例模式 线程安全，调用效率高，无延迟加载**/
public enum SingletonDemo5 {/*** 这个枚举元素，本身就是单例对象*/INSTANCE;/*** 单例可以有自己的操作*/public void SingletonOperation() {// 功能处理}
}

优点：实现简单
枚举本身就是单例模式。由JVM从根本上提供保障！避免通过反射和反序列化的漏洞！

缺点：无延迟加载

五、如何选用以上五种单例模式？

单例对象占用资源少，不需要延迟加载。枚举式好于恶汉式。

单例对象占用资源大，需要延迟加载。静态内部类式好于懒汉式。

六、单例模式的破解及防护：

1.反射破解（不包含枚举式）

 public static void main(String[] args) throws Exception {//通过反射方式直接调用私有构造器Class<SingletonDemo6> clazz=(Class<SingletonDemo6>) Class.forName("com.uwo9.creational.singleton.SingletonDemo6");Constructor<SingletonDemo6> c=clazz.getDeclaredConstructor(null);c.setAccessible(true);//跳过权限检查，访问私有的SingletonDemo6 s3=c.newInstance();SingletonDemo6 s4=c.newInstance();System.out.println(s3 == s4);//结果为false}

防护方法：可在构造方法中手动抛出异常控制。

public class SingletonDemo6 {private static SingletonDemo6 instance;private SingletonDemo6() throws Exception {if (instance != null) {throw new Exception("只能创建一个对象");// 通过手动抛出异常，避免通过反射创建多个单例对象！}}// 私有化构造器public static synchronized SingletonDemo6 getInstance() throws Exception {if (null == instance) {instance = new SingletonDemo6();}return instance;}}

2.反序列化破解（不包含枚举式）

 public static void main(String[] args) throws Exception {SingletonDemo6 s = SingletonDemo6.getInstance();//通过反序列化的方式构造多个对象。FileOutputStream fos=new FileOutputStream("d:/a.txt");ObjectOutputStream oos=new ObjectOutputStream(fos);oos.writeObject(s);oos.close();fos.close();ObjectInputStream ois=new ObjectInputStream(new FileInputStream("d:/a.txt"));SingletonDemo6 s5= (SingletonDemo6) ois.readObject();System.out.println(s == s5);//结果为false}

防护方法：可以通过定义readResolve()防止获得不同对象。反序列化时，如果对象所在类定义了readResolve()，（实际是一种回调），定义返回哪个对象。

public class SingletonDemo6 implements Serializable {private static SingletonDemo6 instance;private SingletonDemo6() throws Exception {if (instance != null) {throw new Exception("只能创建一个对象");// 通过手动抛出异常，避免通过反射创建多个单例对象！}}// 私有化构造器public static synchronized SingletonDemo6 getInstance() throws Exception {if (null == instance) {instance = new SingletonDemo6();}return instance;}//反序列化时，如果对象所在类定义了readResolve()，则直接返回此方法指定的对象。而不需要单独再创建新对象（实际是一种回调）private Object readResolve() throws ObjectStreamException{return instance;}
}

七、以上五种单例模式在多线程环境下的效率测试

只需关注相对值，不同环境下测试值不一样。

饿汉式	22ms
懒汉式	636ms
双重检索式式	65ms
静态内部类式	28ms
枚举式	32ms

此处上测试代码：

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {long start=System.currentTimeMillis();int threadNum=10;//同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。final CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(threadNum);for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int j = 0; j < 1000000; j++) {//此处调用单例//...省略Object o = SingletonDemo01.getInstance();}//当前线程调用此方法，则计数减一（建议放在finally里执行）countDownLatch.countDown();}}).start();}countDownLatch.await();//main线程阻塞，直到计数器变为0，才继续往下执行long end=System.currentTimeMillis();System.out.println("总耗时："+(end-start));}