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一起來分析java設計模式之單例

WBOY轉載: 2022-11-07 16:56:26957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。

一起來分析java設計模式之單例

推薦學習：《java影片教學》

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）

推荐学习：《java视频教程》

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