java 单例模式

单例模式(Singleton)也叫单态模式，是设计模式中最为简单的一种模式，甚至有些模式大师都不称其为模式，称其为一种实现技巧，因为设计模式讲究对象之间的关系的抽象，而单例模式只有自己一个对象，也因此有些设计大师并把把其称为设计模式之一。

这里又不具体讲如何实现单例模式和介绍其原理(因为这方便的已经有太多的好文章介绍了），如果对单例模式不了解的可以先看下：http://terrylee.cnblogs.com/archive/2005/12/09/293509.html 。当然也可以自己搜索。

好多没怎么使用过的人可能会想，单例模式感觉不怎么用到，实际的应用场景有哪些呢？以下，我将列出一些就在咱们周边和很有意义的单例应用场景。

1. Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式（这个很熟悉吧），想想看，是不是呢，你能打开两个windows task manager吗？ 不信你自己试试看哦~ 

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. 网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。

4. 应用程序的日志应用，一般都何用单例模式实现，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。

5. Web应用的配置对象的读取，一般也应用单例模式，这个是由于配置文件是共享的资源。

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。数据库软件系统中使用数据库连接池，主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗，这种效率上的损耗还是非常昂贵的，因为何用单例模式来维护，就可以大大降低这种损耗。

7. 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式，这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。

8. 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一个文件系统。

9. HttpApplication 也是单位例的典型应用。熟悉ASP.NET(IIS)的整个请求生命周期的人应该知道HttpApplication也是单例模式，所有的HttpModule都共享一个HttpApplication实例.

 

总结以上，不难看出：

　　单例模式应用的场景一般发现在以下条件下：

　　（1）资源共享的情况下，避免由于资源操作时导致的性能或损耗等。如上述中的日志文件，应用配置。

　　（2）控制资源的情况下，方便资源之间的互相通信。如线程池等。

 

 

 

设计模式（一）：单例模式（Singleton Pattern）

       单例模式(Singleton Pattern)是设计模式中比较常用的一种，下面来总结单例模式的知识，包括：

       1、理解什么是单例模式、单例模式有什么优点/缺点、单例模式的应用场景；

       2、再来看看Java单例模式的6种代码实现方式、每种实现方式有什么需要注意的；

       3、后面再来了解Java单例模式其他值得关注的地方，如比较静态方法、以及Java反射、反序列化、垃圾回收的影响等。

1、什么是单例模式

1-1、模式理解

      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。

       UML结构图：

       模式角色：

      一个类使用了单例模式，称该类为单例类，如图中的Singleton。

       单例模式三要点：

      （1）、单例类只能有一个实例

      这是最基本的，真正做到整个系统中唯一并不容易，通常还要考虑反射破坏、序列化/反序列化、对象垃圾回收等问题。

      （2）、单例类必须自己创建自己的唯一实例

      通常给实例构造函数protected或private权限。

      （3）、单例类必须给所有其他对象提供这一实例

      通常定义静态方法getInstance()返回。

1-2、特点

       优点：

       （1）、提供了对唯一实例的受控访问，避免对资源的多重占用。

       （2）、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。

       （3）缩小名空间，避免全局变量污染空间，但比类操作更灵活。

       缺点：

       （1）、由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。

       （2）、 单例类的职责过重，在一定程度上违背了"单一职责原则"。

      因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。

       所以也不应过多使用单例模式。

1-3、应用

       单例模式是一种对象创建型模式，用来编写一个类，在整个应用系统中只能有该类的一个实例对象。

       常见应用场景：

           线程池、缓存、日志、配置文件、打印机/显卡等硬件设备的驱动程序对象等等。

       JDK中的一些应用：

       java.lang.Runtime#getRuntime()

      java.text.NumberFormat#getInstance()

      java.awt.GraphicsEnvironment#getLocalGraphicsEnvironment()

 

面向对象的设计模式可以说是一种“套路”，是不分编程语言的，而后面主要以Java言语为主。

2、单例模式实现示例

      Java单例模式的实现有多种方式，使用Java实现如下所示。

2-1、饿汉式（简单可用）

       Lazy 初始化：否；

       多线程安全：是；

       描述：

      这种方式比较常用，它基于JVM的类加载器机制避免了多线程的同步问题，对象在类装载时就实例化，所以称为饿汉式。

       优点：没有加锁，执行效率会提高。

       缺点：没有Lazy初始化，可能有时候不需要使用，浪费内存。

       代码实例：

 

[java] view plain copy
 
  1. public class Singleton {  
  2.   
  3.     private static Singleton instance = new Singleton();  
  4.      
  5.     private Singleton (){}  
  6.       
  7.     public static Singleton getInstance() {  
  8.         return instance;  
  9.   
  10.     }  
  11.   
  12. }  

 

2-2、懒汉式（线程不安全，不可用）

      Lazy 初始化：是；

      多线程安全：否；

      描述：

      能够在getInstance()时再创建对象，所以称为懒汉式。这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁同步。

      代码实例：

 

[java] view plain copy
 
  1. public class Singleton {  
  2.   
  3.     private static Singleton instance;  
  4.   
  5.     private Singleton (){}  
  6.        
  7.     public static Singleton getInstance() {  
  8.   
  9.         if (instance == null) {  
  10.             instance = new Singleton();  
  11.         }  
  12.   
  13.         return instance;  
  14.     }  
  15.   
  16. }  

 

2-3、同步方法的懒汉式（同步方法效率低，不推荐）

      Lazy 初始化：是

      多线程安全：是

      描述：

      除第一次使用，后面getInstance()不需要同步；每次同步，效率很低。

      代码实例：

 

[java] view plain copy
 
  1. public class Singleton {  
  2.   
  3.     private static Singleton instance;  
  4.   
  5.     private Singleton (){}  
  6.   
  7.     public static synchronized Singleton getInstance() {  
  8.   
  9.         if (instance == null) {  
  10.             instance = new Singleton();  
  11.         }  
  12.   
  13.         return instance;  
  14.     }  
  15.   
  16. }  

 

2-4、双重校验锁（可用）

      Lazy 初始化：是；

      多线程安全：是；

      描述：

      这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。

      实例变量需要加volatile 关键字保证易变可见性，JDK1.5起才可用。

      代码实例：

 

[java] view plain copy
 
  1. public class Singleton {  
  2.   
  3.     private volatile static Singleton singleton;  
  4.   
  5.     private Singleton (){}  
  6.   
  7.     public static Singleton getSingleton() {  
  8.   
  9.         if (singleton == null) {  
  10.             synchronized (Singleton.class) {  
  11.                 if (singleton == null) {  
  12.                     singleton = new Singleton();  
  13.                  }  
  14.              }  
  15.         }  
  16.   
  17.         return singleton;  
  18.     }  
  19.   
  20. }  

 

2-5、静态内部类（推荐）

      Lazy 初始化：是；

      多线程安全：是；

      描述：

      同样利用了JVM类加载机制来保证初始化实例对象时只有一个线程，静态内部类SingletonHolder 类只有第一次调用 getInstance 方法时，才会装载从而实例化对象。

      代码实例：

 

[java] view plain copy
 
  1. public class Singleton {  
  2.   
  3.     private static class SingletonHolder {  
  4.   
  5.        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
  6.     }  
  7.   
  8.     private Singleton (){}  
  9.   
  10.     public static final Singleton getInstance() {  
  11.   
  12.         return SingletonHolder.INSTANCE;  
  13.     }  
  14.   
  15. }   

 

2-6、枚举（《Effective Java》推荐，不常见）

      Lazy 初始化：否；

      多线程安全：是；

      描述：

      从Java1.5开始支持enum特性；无偿提供序列化机制，绝对防止多次实例化，即使在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。

      不过，用这种方式写不免让人感觉生疏，这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。

      代码实例：

 

[java] view plain copy
 
  1. public enum Singleton {  
  2.   
  3.     //定义一个枚举的元素，就代表Singleton实例  
  4.     INSTANCE;  
  5.   
  6.     /* 
  7.     **假如还定义有下面的方法，调用：Singleton.INSTANCE.doSomethingMethod(); 
  8.     */  
  9.   
  10.     public void doSomethingMethod() {  
  11.   
  12.     }  
  13.   
  14. }   

 

2-7、小结

      以上6种单例实现方式，不是线程安全的不能用，至于是否需要延时加载，看情况而定。

      一般情况下，使用最基本、最简单的第一种饿汉式就行了（JDK中有不少使用该种方式），需要延时加载的使用静态内部类方式，需要高安全性的可以使用第6种枚举方式。

3、其他关注点

3-1、单例模式VS静态类（静态属性/方法）

      把类中所有属性/方法定义成静态也可以实现"单例"。

      那为什么需要用"NEW"单例模式，在而不把类中所有属性/方法定义成静态的？

      静态类不用实例化就可以使用，虽然使用比较方便，但失去了面向对象的一些优点，适用于一些过程简单且固定、不需要扩展变化、不需要维护任何状态的类方法，如java.lang.Math，里面每种计算方法基本都是固定不变的。

      单例模式保证一个类对象实例的唯一性，有面向对象的特性，虽然扩展不容易，但还是可以被继承（protected权限的构造方法）、重写方法等。

3-2、Java反射攻击破坏单例模式

      上面6种Java单例模式实现方式除枚举方式外，其他的给实例构造函数protected或private权限，依然可以通过相关反射方法，改变其权限，创建多个实例，如下：

[java] view plain copy
 
  1. public class Test {  
  2.   
  3.     public static void main(String args[]) {  
  4.        
  5.         Singleton singleton = Singleton.getInstance();  
  6.   
  7.        try {  
  8.   
  9.             Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();  
  10.             constructor.setAccessible(true);  
  11.             Singleton singletonnew = constructor.newInstance();  
  12.             System.out.println(singleton == singletonnew);  
  13.   
  14.         } catch (Exception e) {  
  15.   
  16.         }       
  17.     }  
  18. }  

输出结果：false

      可以给构造函数加上判断，限制创建多个实例，如下：

 

[java] view plain copy
 
  1. private Singleton() {  
  2.   
  3.     if (null != Singleton.singleton) {  
  4.   
  5.         throw new RuntimeException();  
  6.     }  
  7. }  

 

3-3、反序列化攻击破坏单例模式

      很多语言、框架都支持对象的序列化，对象序列化后再进行存储或传输，以获得更好的效率，之后再反序列化得到同样的对象信息。

      同样，前面6种Java单例模式实现方式除枚举方式外，其他方式用一样的序列化数据，可以多次反序列出多个不同的实例对象。

      对于Java语言提供的序列化/反序列化机制，需要单例类实现java.io.Serializable接口；而在在反序列化时会调用实例的readResolve()方法，只要加入该方法，并在方法中指定返回单例对象，就不会再新建一个对象，如下：

[java] view plain copy
 
  1. private Object readResolve() {  
  2.     return Singleton.singleton;  
  3. }  

      另外，最好还要确保该类的所有实例域都为基本类型，或者是transient的。否则，还是可能受到攻击破坏。

      更多信息，可以参考：

      《Effective Java》第二版 第77条：对于实例控制，枚举类型优先于readResolve

3-4、单例模式中的单例对象会不会被垃圾回收？

      对于JDK1.2后的JVM HotSpot来说，判断对象可以回收需要经过可达性分析，由于单例对象被其类中的静态变量引用，所以JVM认为对象是可达的，不会被回收。

      另外，对于JVM方法区回收，由堆中存在单例对象，所以单例类也不会被卸载，其静态变量引用也不会失效。

3-5、多JVM/ClassLoader的系统使用单例类

      不同ClassLoader加载同一个类，对类本身的对象（Singleton.class）来说是不一样的，所以可以创建出不同的单例对象，对不同JVM的情况更是如此，这些在JavaEE开发中还是比较常见。

      所以，在多JVM/ClassLoader的系统使用单例类，需要注意单例对象的状态，最好使用无状态的单例类。

3-6、Spring（IOC框架）实现的单例    

      Spring的一个核心功能控制反转（Inversion of Contro，IOC），或称依赖注入（dependency injection ，DI）：
      高层模块通过接口编程，然后通过配置Spring的XML文件或注解来注入具体的实现类（Bean）。
      这样的好处的很容易扩展，想要更换其他实现类时，只需要修改配置就可以了。
      其功能是通过IOC容器来实现，其默认生成的Bean是单例的：
      在整个应用中（一般只用一个IOC容器），只创建Bean的一个实例，多次注入同一具体类时都是注入同一个实例。
      IOC容器来实现过程简述如下：
      当需要注入Bean时，IOC容器首先解析配置找到具体类，然后判断其作用域（@Scope注解）；
      如果是默认的单例@Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_SINGLETON)，则查找容器中之前有没有为其创建了Bean实例；

      如果有则直接注入该Bean实例，如果没有生成一个放到容器中保存（ConcurrentHashMap -- map.put(bean_id, bean)），再注入。

      注：其中解析配置查找具体类、生成Bean实例和注入过程都是通过Java反射机制实现的。

      从上面可以了解到，Spring实现的单例和我们所说的单例设计模式不是一个概念：
      前者是IOC容器通过Java反射机制实现，后者只是一种编程方法（套路）。
      但总的来说，它们都可以实现“单例”。

 

4、总结

      单例模式：

      （1）、单例模式可以在一些应用场景带来很好的效果，但不能滥用，因为单例模式并不是一种很好的模式。

      （2）、单例模式有多种实现方式，没有特殊要求的，用最基本、最简单的饿汉式，需要延时加载的使用静态内部类方式，需要高安全性的可以使用枚举方式；

      （3）、对其他关注点应有所了解，有时间可以深入探究，扩展知识面。

 

 

      到这里，我们对单例模式有了一个大体的了解，后面我们将了解其他的设计模式......

posted @ 2017-08-05 16:03  babyyage  阅读(307)  评论(0)  编辑  收藏  举报