一起來分析java設計模式之單例
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- 2022-11-07 16:56:261035瀏覽
本篇文章為大家帶來了關於java的相關知識， 其中主要介紹了關於設計模式中單例模式的相關內容，單例就一條基本原則是單例對象的類只會被初始化一次，下面一起來看一下，希望對大家有幫助。
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單元素的枚舉類型經常成為實作Singleton 的最佳方法。
什麼是單例？就一條基本原則，單例物件的類別只會被初始化一次。在 Java 中，我們可以說在 JVM 中只存在該類別的唯一物件實例。在 Android 中，我們可以說在程式運行期間，該類別有且僅有一個物件實例。
單例模式的簡單實作步驟：
#建構方法私有，保證無法從外部透過 new 的方式建立物件。
對外提供取得該類別實例的靜態方法。
類別的內部建立該類別的對象，透過步驟 2 的靜態方法返回。
依照上述步驟寫下你認為比較嚴謹的單例模式，然後看看你所寫下的單例能否滿足以下條件：
- 你的單例按需載入嗎？
- 你的單例線程安全嗎?
涉及到並發三要素：原子性、可見性、有序性 - 你的單例暴力反射和序列化安全嗎？
一、餓漢式
//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
優點：設計簡單 ，解決了多執行緒實例化的問題。
缺點：在虛擬機器載入SingleTon類別的時候，將會在初始化階段為類別靜態變數賦值，也就是在虛擬機器載入該類別的時候（此時可能並沒有呼叫getInstance 方法）就已經呼叫了new SingleTon(); 建立了該物件的實例，之後不管這個實例物件用不用，都會佔據記憶體空間。
二、懶漢式
//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!!
}
}
}
#優點：設計也是比較簡單的，和餓漢式不同，當這個Singleton被載入的時候，被static修飾的靜態變數將會被初始化為null，這個時候並不會佔用內存，而是當第一次呼叫getInstance方法的時候才會被初始化實例對象，按需創建。
缺點：在單執行緒環境下是沒有問題的，在多執行緒環境下，會產生執行緒安全性問題。在有兩個線程同時 運行到了 instane == null這個語句，並且都通過了，那他們就會都各自實例化一個對象，這樣就又不是單例了。
如何解決懶漢式在多執行緒環境下的多實例問題？
-
靜態內部類別
//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!! } } }優點：加鎖只有一個執行緒能實例該對象，解決了執行緒安全性問題。
缺點：對於靜態方法而言，synchronized關鍵字會鎖住整個Class，每次呼叫getInstance方法都會執行緒同步，效率十分低下，而且當建立好實例物件之後，也就不必繼續進行同步了。
備註：
此處的synchronized保證了操作的原子性和記憶體可見性。 -
同步程式碼區塊（雙重檢鎖方式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 } } } }優點：新增了一個同步程式碼區塊，在同步程式碼區塊中去判斷實例物件是否存在，如果不存在則去創建，這個時候其實就完全可以解決問題了，因為雖然是多個執行緒去取得實例對象，但是在同一個時間也只會有一個線程會進入到同步程式碼區塊，那麼這個時候創建好對象之後，其他線程即便再次進入同步程式碼區塊，由於已經創建好了實例對象，便直接返回即可。但為什麼還要在同步程式碼區塊的上一步再次去判斷instance為空呢？這個是由於當我們創建好實例物件之後，直接去判斷此實例物件是否為空，如果不為空，則直接返回就好了，就避免再次進去同步程式碼區塊了，提高了效能。
缺點：無法避免暴力反射創建物件。
備註：
此處的volatile發揮了記憶體可見度及防止指令重排序作用。
三、枚舉實作單例
public enum SingletonEnum { INSTANCE; public static void main(String[] args) { System.out.println(SingletonEnum.INSTANCE == SingletonEnum.INSTANCE);
}
}
枚舉實作單例是最推薦的一種方法，因為就算透過序列化，反射等也沒辦法破壞單例性。 (關於Android使用枚舉會產生效能問題的說法，這應該是Android 2.x系統之前記憶體緊張的時代了，現在已經Android 13了，相信某些場合枚舉所帶來的便利遠大於此點所謂的性能影響)
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());
}
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
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());
}
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）
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