1. 單例模式

單例模式（Singleton Pattern） 是 Java 中最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)模式之一。這種類型的設(shè)計(jì)模式屬于創(chuàng)建型模式，它提供了一種創(chuàng)建對(duì)象的最佳方式，旨在確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，并提供全局訪問(wèn)點(diǎn)來(lái)獲取這個(gè)實(shí)例。單例模式在某些情況下非常有用，比如需要共享資源或管理全局狀態(tài)的場(chǎng)景。

1.1 單例模式的要點(diǎn)

唯一實(shí)例：類只能有一個(gè)實(shí)例。
全局訪問(wèn)點(diǎn)：提供一個(gè)全局的訪問(wèn)點(diǎn)，用于獲取該唯一實(shí)例。
防止外部創(chuàng)建實(shí)例：通過(guò)將構(gòu)造方法設(shè)為私有，避免其他類直接創(chuàng)建對(duì)象。

這種模式涉及到一個(gè)單一的類，該類負(fù)責(zé)創(chuàng)建自己的對(duì)象，同時(shí)確保只有單個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建。這個(gè)類提供了一種訪問(wèn)其唯一的對(duì)象的方式，可以直接訪問(wèn)，不需要實(shí)例化該類的對(duì)象。

1.2 單例模式的實(shí)現(xiàn)

單例設(shè)計(jì)模式分類兩種：餓漢式、懶漢式。

餓漢式：類加載就會(huì)導(dǎo)致該單實(shí)例對(duì)象被創(chuàng)建。

餓漢式有三種實(shí)現(xiàn)方式：靜態(tài)常量方式、靜態(tài)代碼塊方式、枚舉形式。

懶漢式：類加載不會(huì)導(dǎo)致該單實(shí)例對(duì)象被創(chuàng)建，而是首次使用該對(duì)象時(shí)才會(huì)創(chuàng)建。

懶漢式有四種實(shí)現(xiàn)方式：線程不安全方式、線程安全方式、雙重檢查鎖方式（線程安全方式優(yōu)化）、靜態(tài)內(nèi)部類方式（線程安全方式優(yōu)化）。

1.3 餓漢式單例模式

1.3.1 靜態(tài)常量方式

靜態(tài)初始化，類加載時(shí)創(chuàng)建實(shí)例

優(yōu)點(diǎn)：這種寫法比較簡(jiǎn)單，就是 在類加載的時(shí)候就完成實(shí)例化。避免了線程同步問(wèn)題。
缺點(diǎn)：在類加載時(shí)就完成實(shí)例化，沒(méi)有達(dá)到懶加載的效果。如果從未使用過(guò)這個(gè)實(shí)例，則會(huì) 造成內(nèi)存的浪費(fèi)。

類圖：

image.png

public class Singleton {
    // 靜態(tài)初始化，類加載時(shí)創(chuàng)建實(shí)例
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    // 私有化構(gòu)造函數(shù)
    private Singleton() {}

    // 提供全局訪問(wèn)點(diǎn)
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

1.3.2 靜態(tài)代碼塊方式

將類實(shí)例化的過(guò)程放在了靜態(tài)代碼塊中，也是在類加載的時(shí)候，就執(zhí)行靜態(tài)代碼塊中的代碼，初始化類的實(shí)例。

優(yōu)缺點(diǎn)和上面的方式是一樣的。

類圖：

image.png

public class Singleton {
    // 靜態(tài)初始化，類加載時(shí)創(chuàng)建實(shí)例
    private static final Singleton instance;

    //在靜態(tài)代碼塊中進(jìn)行賦值
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    // 私有化構(gòu)造函數(shù)
    private Singleton() {
    }

    // 提供全局訪問(wèn)點(diǎn)
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

1.3.3 枚舉形式

通過(guò)枚舉實(shí)現(xiàn)單例，是最推薦的實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)樗?jiǎn)潔、線程安全，并且可以防止序列化和反射攻擊。這種方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式。

優(yōu)點(diǎn)：線程安全，防止反序列化破壞單例，簡(jiǎn)潔優(yōu)雅。
缺點(diǎn)：不適合需要延遲加載的情況。

類圖：

image.png

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

1.4 懶漢式單例模式

1.4.1 線程不安全方式

該方式起到了懶加載的效果，但是只能在單線程下使用。如果在多線程下，一個(gè)線程進(jìn)入了 if (singleton == null) 判斷語(yǔ)句塊，還未來(lái)得及往下執(zhí)行，另一個(gè)線程也通過(guò)了這個(gè)判斷語(yǔ)句，這時(shí)便會(huì)產(chǎn)生多個(gè)實(shí)例。所以在多線程環(huán)境下不可使用這種方式。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，不要使用這種方式.

優(yōu)點(diǎn)：延遲加載實(shí)例，節(jié)省資源。
缺點(diǎn)：在多線程環(huán)境下可能會(huì)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例，線程不安全。

類圖：

image.png

public class Singleton {
    // 持有唯一實(shí)例，使用時(shí)再初始化
    private static Singleton instance;

    // 私有化構(gòu)造函數(shù)，防止外部創(chuàng)建實(shí)例
    private Singleton() {
    }

    // 提供獲取實(shí)例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 延遲創(chuàng)建實(shí)例
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

1.4.2 線程安全方式

該方式也起到了懶加載效果，同時(shí)又解決了線程安全問(wèn)題。但是在 getInstance() 方法上添加了 synchronized 關(guān)鍵字，導(dǎo)致該方法的執(zhí)行效率特別低。從上面代碼我們可以看出，其實(shí)就是在初始化 instance 的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題，一旦初始化完成就不存在了。

優(yōu)點(diǎn)：延遲加載實(shí)例，節(jié)省資源。
缺點(diǎn)：執(zhí)行效率特別低。

類圖：

image.png

public class Singleton {
    // 持有唯一實(shí)例，使用時(shí)再初始化
    private static Singleton instance;

    // 私有化構(gòu)造函數(shù)，防止外部創(chuàng)建實(shí)例
    private Singleton() {
    }

    // 提供獲取實(shí)例的方法，并且對(duì)該方法加鎖
    public synchronized static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 延遲創(chuàng)建實(shí)例
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

1.4.3 雙重檢查鎖方式（線程安全方式優(yōu)化）

對(duì)于 getInstance() 方法來(lái)說(shuō)，絕大部分的操作都是讀操作，讀操作是線程安全的。所以我們沒(méi)必讓每個(gè)線程必須持有鎖才能調(diào)用該方法，我們需要調(diào)整加鎖的時(shí)機(jī)，通過(guò)雙重檢查鎖方式保證線程安全，同時(shí)確保懶加載。

優(yōu)點(diǎn)：在保證線程安全的前提下，減少了鎖的使用頻率，提高了性能。
缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，并且由于 Java 內(nèi)存模型（JMM） 的原因，需要使用 volatile 關(guān)鍵字來(lái)確保正確的實(shí)例化。

類圖：

image.png

public class Singleton {
    // 持有唯一實(shí)例，使用時(shí)再初始化，volatile 保證可見(jiàn)性和有序性
    private static volatile Singleton instance;

    // 私有化構(gòu)造函數(shù)，防止外部創(chuàng)建實(shí)例
    private Singleton() {
    }

    // 提供獲取實(shí)例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    // 延遲創(chuàng)建實(shí)例
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

1.4.4 靜態(tài)內(nèi)部類方式（線程安全方式優(yōu)化）

靜態(tài)內(nèi)部類單例模式中實(shí)例由內(nèi)部類創(chuàng)建，由于 JVM 在加載外部類的過(guò)程中, 是不會(huì)加載靜態(tài)內(nèi)部類的, 只有內(nèi)部類的屬性/方法被調(diào)用時(shí)才會(huì)被加載, 并初始化其靜態(tài)屬性。靜態(tài)屬性由于被 static 修飾，保證只被實(shí)例化一次，并且嚴(yán)格保證實(shí)例化順序。

優(yōu)點(diǎn)：避免了線程不安全，利用靜態(tài)內(nèi)部類特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)延遲加載，效率高。
缺點(diǎn)：無(wú)明顯缺點(diǎn)，被認(rèn)為是單例模式的最佳實(shí)踐之一。

類圖：

image.png

public class Singleton {
    // 私有化構(gòu)造函數(shù)，防止外部創(chuàng)建實(shí)例
    private Singleton() {
    }

    // 靜態(tài)內(nèi)部類，持有單例實(shí)例
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 提供獲取實(shí)例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 只有在調(diào)用時(shí)才會(huì)加載 SingletonHolder 類
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

1.5 單例模式破壞方式

盡管單例模式的目的是確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，但在某些特殊情況下，可以通過(guò)一些方法破壞單例模式的約束。以下是幾種常見(jiàn)的破壞單例模式的方式以及對(duì)應(yīng)的解決方案（以靜態(tài)內(nèi)部類方式為例）。

1.5.1 反射機(jī)制

Java 的反射機(jī)制允許訪問(wèn)私有構(gòu)造函數(shù)，即使構(gòu)造函數(shù)是私有的，也可以通過(guò)反射調(diào)用，從而創(chuàng)建新的實(shí)例。

1.5.1.1 破壞方式

使用反射可以繞過(guò)單例類的私有構(gòu)造方法，強(qiáng)行創(chuàng)建新的實(shí)例。

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創(chuàng)建 Singleton 類的對(duì)象
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        // 使用反射創(chuàng)建新實(shí)例
        Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
        // 使用反射創(chuàng)建新實(shí)例
        constructor.setAccessible(true);
        Singleton instance2 = constructor.newInstance();

        // 判斷獲取到的兩個(gè)實(shí)例是否是同一個(gè)對(duì)象，輸出：false，表示實(shí)例被破壞
        System.out.println(instance1 == instance2);
    }
}

1.5.1.2 解決方案

可以在構(gòu)造函數(shù)中加上檢查，防止通過(guò)反射創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例。

public class Singleton {
    // 私有化構(gòu)造函數(shù)，防止外部創(chuàng)建實(shí)例
    private Singleton() {
        // 防止反射調(diào)用，防止反射攻擊的額外防御
        if (SingletonHolder.INSTANCE != null) {
            throw new RuntimeException("Cannot create instance, use getInstance()");
        }
    }

    // 靜態(tài)內(nèi)部類，持有單例實(shí)例
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 提供獲取實(shí)例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 只有在調(diào)用時(shí)才會(huì)加載 SingletonHolder 類
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

這種方式可以在實(shí)例化過(guò)程中，檢測(cè)是否已有實(shí)例，如果存在，則拋出異常，防止反射破壞單例。

1.5.2 序列化

在使用 Serializable 接口的情況下，反序列化會(huì)創(chuàng)建新的對(duì)象，破壞單例模式。

1.5.2.1 破壞方式

即使通過(guò) getInstance() 方法獲得了唯一實(shí)例，但序列化再反序列化會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)新的實(shí)例。

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創(chuàng)建 Singleton 類的對(duì)象
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();

        // 將對(duì)象寫入文件
        ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("instance1.ser"));
        out.writeObject(instance1);
        out.close();
        // 從文件中讀取對(duì)象
        ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("instance1.ser"));
        Singleton instance = (Singleton) in.readObject();
        in.close();

        // 判斷獲取到的兩個(gè)實(shí)例是否是同一個(gè)對(duì)象，輸出：false，表示實(shí)例被破壞
        System.out.println(instance == instance2);
    }
}

1.5.2.2 解決方案

可以通過(guò)實(shí)現(xiàn) readResolve() 方法，在反序列化時(shí)確保返回已有實(shí)例。

public class Singleton implements Serializable {
    // 私有化構(gòu)造函數(shù)，防止外部創(chuàng)建實(shí)例
    private Singleton() {
    }

    // 靜態(tài)內(nèi)部類，持有單例實(shí)例
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 提供獲取實(shí)例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 只有在調(diào)用時(shí)才會(huì)加載 SingletonHolder 類
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    protected Object readResolve() {
        // 返回唯一的實(shí)例
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

readResolve() 方法在反序列化時(shí)會(huì)替換生成的實(shí)例，保證返回的是已有的單例對(duì)象。

1.5.3 克隆

如果類實(shí)現(xiàn)了 Cloneable 接口，并重寫了 clone() 方法，克隆操作會(huì)生成一個(gè)新的實(shí)例，破壞單例模式。

1.5.3.1 破壞方式

通過(guò)克隆創(chuàng)建新實(shí)例。

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創(chuàng)建 Singleton 類的對(duì)象
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = (Singleton) instance1.clone();

        // 判斷獲取到的兩個(gè)實(shí)例是否是同一個(gè)對(duì)象，輸出：false，表示實(shí)例被破壞
        System.out.println(instance1 == instance2);
    }
}

1.5.3.2 解決方案

通過(guò)重寫 clone() 方法，禁止克隆操作。

public class Singleton implements Cloneable {
    // 私有化構(gòu)造函數(shù)，防止外部創(chuàng)建實(shí)例
    private Singleton() {
    }

    // 靜態(tài)內(nèi)部類，持有單例實(shí)例
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 提供獲取實(shí)例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 只有在調(diào)用時(shí)才會(huì)加載 SingletonHolder 類
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        throw new CloneNotSupportedException("Singleton cannot be cloned");
    }
}

這種方式阻止了單例對(duì)象被克隆，從而保證唯一性。

1.6 JDK源碼解析-Runtime類

從下面源代碼中可以看出 Runtime 類使用的是懶漢式單例模式（靜態(tài)常量方式）來(lái)實(shí)現(xiàn)單例模式的。

public class Runtime {
    private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class {@code Runtime} are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the {@code Runtime} object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}
}

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cxyexe

1. 單例模式

1.1 單例模式的要點(diǎn)

1.2 單例模式的實(shí)現(xiàn)

1.3 餓漢式單例模式

1.3.1 靜態(tài)常量方式

1.3.2 靜態(tài)代碼塊方式

1.3.3 枚舉形式

1.4 懶漢式單例模式

1.4.1 線程不安全方式

1.4.2 線程安全方式

1.4.3 雙重檢查鎖方式（線程安全方式優(yōu)化）

1.4.4 靜態(tài)內(nèi)部類方式（線程安全方式優(yōu)化）

1.5 單例模式破壞方式

1.5.1 反射機(jī)制

1.5.1.1 破壞方式

1.5.1.2 解決方案

1.5.2 序列化

1.5.2.1 破壞方式

1.5.2.2 解決方案

1.5.3 克隆

1.5.3.1 破壞方式

1.5.3.2 解決方案

1.6 JDK源碼解析-Runtime類

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1.1 單例模式的要點(diǎn)

1.2 單例模式的實(shí)現(xiàn)

1.3 餓漢式單例模式

1.3.1 靜態(tài)常量方式

1.3.2 靜態(tài)代碼塊方式

1.3.3 枚舉形式

1.4 懶漢式單例模式

1.4.1 線程不安全方式

1.4.2 線程安全方式

1.4.3 雙重檢查鎖方式（線程安全方式優(yōu)化）

1.4.4 靜態(tài)內(nèi)部類方式（線程安全方式優(yōu)化）

1.5 單例模式破壞方式

1.5.1 反射機(jī)制

1.5.1.1 破壞方式

1.5.1.2 解決方案

1.5.2 序列化

1.5.2.1 破壞方式

1.5.2.2 解決方案

1.5.3 克隆

1.5.3.1 破壞方式

1.5.3.2 解決方案

1.6 JDK源碼解析-Runtime類

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