자바 디자인 패턴의 싱글톤을 함께 분석해보자

이 기사에서는 디자인 패턴 중 싱글턴 패턴에 대한 관련 내용을 주로 소개하는 java에 대한 관련 지식을 제공합니다. 싱글턴의 기본 원리는 싱글턴 객체의 클래스가 한 번만 초기화된다는 것입니다. 함께하면 모두에게 도움이 되기를 바랍니다.

추천 학습: "java 비디오 튜토리얼"

단일 요소의 열거형은 싱글톤을 구현하는 가장 좋은 방법인 경우가 많습니다.

싱글톤이란 무엇인가요? 기본 원칙에 따라 싱글톤 객체의 클래스는 한 번만 초기화됩니다. Java에서는 JVM에 클래스의 객체 인스턴스가 하나만 존재한다고 말할 수 있습니다. Android에서는 프로그램이 실행되는 동안 이 클래스의 개체 인스턴스가 하나만 있다고 말할 수 있습니다.

싱글톤 모드의 간단한 구현 단계:

• 생성자는 비공개이므로 new를 통해 외부에서 객체를 생성할 수 없습니다.

• 은 이 클래스의 인스턴스를 얻기 위한 외부 정적 메서드를 제공합니다.

• 클래스 내부에 이 클래스의 객체를 생성하고 2단계의 정적 메서드를 통해 반환합니다.

위 단계에 따라 더 엄격하다고 생각되는 싱글톤 패턴을 작성한 다음 작성한 싱글톤이 다음 조건을 충족할 수 있는지 확인하세요.

• 싱글톤이 요청 시 로드됩니까?
• 싱글톤은 스레드로부터 안전한가요? 동시성의 세 가지 요소인 원자성, 가시성, 질서가 관련됩니다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？

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一、饿汉式

//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。

二、懒汉式

//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。

三、枚举实现单例

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)

싱글톤의 폭력적인 반사와 직렬화는 안전한가요? 🎜🎜

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1. Hungry Chinese Style

 public static void main(String[] args) {

     SingleTon singleton1 = SingleTon.getInstance();
     SingleTon singleton2 = null;

     try {
         Class<singleton> clazz = SingleTon.class;
         Constructor<singleton> 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());
 }</singleton></singleton>

🎜🎜장점: 🎜간단한 디자인, 멀티스레드 인스턴스화 문제 해결. 🎜🎜🎜단점: 🎜🎜가상 머신이 SingleTon 클래스를 로드할 때 클래스 정적 변수에는 초기화 단계, 즉 가상 머신이 클래스를 로드할 때 클래스 정적 변수에 값이 할당됩니다. (getInstance 메소드는 호출되지 않을 수 있음) 이때 new SingleTon();을 호출하면 객체의 인스턴스가 생성됩니다. 이후 인스턴스 객체의 사용 여부에 관계없이 메모리 공간을 차지하게 됩니다. 🎜

2. 게으른 남자 스타일

 singleton1.hashCode():1296064247
 singleton2.hashCode():1637070917

🎜🎜장점: 🎜디자인도 비교적 간단합니다. Hungry Man 스타일과 달리 이 싱글톤이 로드되면 static으로 수정된 정적 변수가 null로 초기화됩니다. , 이때는 메모리를 차지하지 않지만, getInstance 메서드가 처음 호출될 때 요청에 따라 인스턴스 개체가 초기화되고 생성됩니다. 🎜🎜🎜단점: 🎜싱글 스레드 환경에서는 문제가 없습니다. 멀티 스레드 환경에서는 스레드 안전 문제가 발생합니다. 두 스레드가 🎜instane == null🎜 문을 동시에 실행하고 둘 다 통과하면 각각 개체를 인스턴스화하므로 더 이상 싱글톤이 아닙니다. 🎜🎜🎜멀티 스레드 환경에서 게으른 스타일의 다중 인스턴스 문제를 해결하는 방법은 무엇입니까? 🎜🎜🎜🎜🎜정적 내부 클래스🎜

  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;
     } 
 }

🎜🎜🎜직접 동기화 방법🎜

 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.<init>(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</init>

🎜🎜장점:🎜단 하나의 스레드만이 객체를 인스턴스화할 수 있어 스레드 안전 문제를 해결합니다. 🎜🎜🎜단점: 🎜정적 메소드의 경우 동기화 키워드는 getInstance 메소드가 호출될 때마다 스레드가 동기화되므로 인스턴스 객체가 생성된 후에는 동기화가 이루어지지 않습니다. 동기화를 계속해야 합니다. 🎜🎜🎜참고: 여기서 동기화는 작업의 원자성과 메모리 가시성을 보장합니다. 🎜🎜🎜🎜🎜동기화된 코드 블록(이중 확인 잠금 모드 DCL)🎜

 public static void main(String[] args) {
     SingleTon singleton2 = null;

     try {
         Class<singleton> clazz = SingleTon.class;
         Constructor<singleton> 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());
 }</singleton></singleton>

🎜🎜장점: 🎜동기화된 코드 블록에 동기화된 코드 블록을 추가하여 인스턴스 객체가 존재하는지 확인합니다. 존재하지 않으면 만들기로 이동하세요. , 인스턴스 개체를 얻기 위해 여러 스레드가 사용되었지만 동시에 하나의 스레드만 동기화 코드 블록에 들어가기 때문에 이번에는 실제로 문제를 완전히 해결할 수 있습니다. 그러면 이때 개체가 생성된 후 다른 경우에도 마찬가지입니다. 스레드는 다시 동기화된 코드 블록에 진입합니다. 인스턴스 객체가 생성되었으므로 직접 반환할 수 있습니다. 그런데 왜 동기화 코드 블록의 이전 단계에서 인스턴스가 다시 비어 있는지 판단해야 합니까? 인스턴스 객체를 생성한 후 인스턴스 객체가 비어 있는지 직접 확인하고, 비어 있지 않으면 직접 반환하면 동기화 코드 블록을 다시 입력할 필요가 없어 성능이 향상되기 때문입니다. 🎜🎜🎜단점: 🎜오브젝트 생성 시 폭력적인 반사를 피할 수 없습니다. 🎜🎜🎜참고: 여기서 휘발성은 메모리 가시성과 명령 재정렬을 방지하는 역할을 합니다. 🎜🎜🎜🎜

싱글톤 구현을 위한 열거형

 singleton2.hashCode():1296064247
 singleton1.hashCode():1637070917

🎜싱글톤 구현을 위한 열거형은 직렬화, 리플렉션 등을 통해서도 이를 파괴할 방법이 없기 때문에 가장 권장되는 방법입니다. 싱글턴. (Android의 열거형 사용이 성능 문제를 일으킬 것이라는 진술과 관련하여 Android 2 이전에는 메모리 부족 시대가 되어야 합니다. 소위 성능 영향으로 인해)🎜

四、如何避免单例模式反射攻击

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<singleton> clazz = SingleTon.class;
         Constructor<singleton> 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());
 }</singleton></singleton>

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.<init>(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</init>

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<singleton> clazz = SingleTon.class;
         Constructor<singleton> 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());
 }</singleton></singleton>

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。

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（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）

推荐学习：《java视频教程》

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