单例设计模式[Singleton]

知识点：

1：模式定义、应用场景，类图分析

2：字节码知识/字节码指令重排

3：类加载机制

4：jvm序列化机制

5：单例模式在spring框架和jdk源码中的应用

一：模式定义、应用场景，类图分析

模式定义：保证只有一个实例，并且提供一个全局访问点。
应用场景：重量级对象，不需要多个实例，比如线程池，数据库连接池
类图如下：

单例模式的实现：

1：懒汉模式：延迟加载，只有在真正使用的时候，才开始实例化

1）线程安全问题

2）double 加锁优化
1. 编译器(JIT),cpu有可能对执行进行重排序，导致使用到尚未初始化的实例，可以通过添加volatile关键字进行修饰，对于volatile修饰的字段，可以防止指令重排

test1：单例模式的实现，存在线程安全问题，如果在多线程的情况下，会有问题

package Singleton;

public class LazySingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        LazySingleton instance1 = LazySingleton.getInstance();
        LazySingleton instance2 = LazySingleton.getInstance();

        System.out.println(instance1); //Singleton.LazySingleton@1b6d3586
        System.out.println(instance2); //Singleton.LazySingleton@1b6d3586

    }
}

/**
 * 定义一个懒汉式的单例类
 */
class LazySingleton{
    //定义一个静态属性
    private static LazySingleton instance;
    //私有的构造函数
    private LazySingleton() {
    }
    public   static  LazySingleton getInstance(){
        //对应的实例为空，才实例化
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

test2：

package Singleton;

public class LazySingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread( ()->{
            LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
            System.out.println(instance);  //Singleton.LazySingleton@4f0c4707
        }).start();

        new Thread( ()->{
            LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
            System.out.println(instance);  //Singleton.LazySingleton@7e129604
        }).start();
    }
}

class LazySingleton{
    //定义一个静态属性
    private static LazySingleton instance;
    //私有的构造函数
    private LazySingleton() {
    }
    public   static  LazySingleton getInstance()  {
        //对应的实例为空，才实例化
        if (instance == null) {
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

解决多线程安全问题，加锁。--double 加锁优化

//对应的实例为空，才实例化
        if (instance == null) {
            synchronized (LazySingleton.class){
                if(instance ==null){
                    instance = new LazySingleton(); 
                }
            }
        }

test3:---只记录

//对应的实例为空，才实例化
        if (instance == null) {
            synchronized (LazySingleton.class){
                if(instance ==null){
                    instance = new LazySingleton(); 
                    //字节码层
                    //JIT ,CPU 
                    //1 分配空间  2  初始化 3  引用赋值
                    //单线程 2和3顺序没关系，多线程可能会造成异常
                    //解决办法  volatile关键字
                }
            }
        } 


//解决办法  volatile关键字
private  volatile static LazySingleton instance;

2 ：饿汉模式：

类加载的初始化阶段就完成了实例的初始化。本质上就是借助jvm类加载机制，保证实例的唯一性。

类加载过程：

1：加载二进制数据到内存中，生成对应的class数据结构

2：连接 a .验证 b.准备(给类的静态成员变量赋默认值) c.解析

3：初始化：给类的静态变量赋初值

只有在真正使用对应的类的时候，才会触发初始化如（当前类时启动类即main函数所在的类，直接new操作，访问静态属性，访问静态方法，用反射访问类，初始化一个子类等等）

package Singleton;
public class HungrySingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        HungrySingleton instance1 = HungrySingleton.getInstance();
        HungrySingleton instance2 = HungrySingleton.getInstance();
        System.out.println(instance1==instance2); //true
    }
}
class HungrySingleton {
    private static HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
    private HungrySingleton(){}
    public static  HungrySingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

3：静态内部类方式

1）本质上是利用类的加载机制来保证线程安全

2）只有在实际使用的时候，才会触发类的初始化，所以也是懒加载的一种形式

package Singleton;

public class InnerClassSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        //test1:
        InnerClassSingleton instance1 = InnerClassSingleton.getInstance();
        InnerClassSingleton instance2 = InnerClassSingleton.getInstance();
        System.out.println(instance1==instance2); //true
        
        //test2:测试线程安全
        new  Thread(() -> {
            InnerClassSingleton instance= InnerClassSingleton.getInstance();
            System.out.println(instance); //Singleton.InnerClassSingleton@7e129604

        }).start();

        new  Thread(() -> {
            InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
            System.out.println(instance); //Singleton.InnerClassSingleton@7e129604

        }).start();

    }
}

class InnerClassSingleton{
    //静态内部内，本质也是jav的类加载机制
    private static class InnerClassHolder{
        private static InnerClassSingleton instance = new InnerClassSingleton();
    }
    //私有构造方法
    private InnerClassSingleton(){}
    //公共的获取实例的方法
    public static InnerClassSingleton getInstance(){
        return InnerClassHolder.instance;
    }
}

4：反射攻击实例：--饿汉模式和内部类可以进行反射攻击

package test;

import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;

/**
 * @author noob
 * @created 2020-07 23 13:35
 */
public class InnerClassSingletonTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {

        //反射拿到实例
        Constructor<InnerClassSingleton> declaredConstructor = InnerClassSingleton.class.getDeclaredConstructor();
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        InnerClassSingleton innerClassSingleton = declaredConstructor.newInstance();

        //获取实例
        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
        System.out.println(innerClassSingleton==instance);  //fasle
    }
}

class InnerClassSingleton{
    //静态内部内，本质也是jav的类加载机制
    private static class InnerClassHolder{
        private static InnerClassSingleton instance = new InnerClassSingleton();
    }
    //私有构造方法
    private InnerClassSingleton(){
        //解决反射攻击
        if(InnerClassHolder.instance != null){
            throw  new RuntimeException("单例不允许多个实例");
        }
    }
    //公共的获取实例的方法
    public static InnerClassSingleton getInstance(){
        return InnerClassHolder.instance;
    }
}

5：枚举类型

1）天然不支持反射创建对应的实例，且有自己的反序列化机制

2：利用类加载机制保证线程安全

package Singleton;
public enum EnmuSingleton {
    INSTANCE;
    public void print(){
        System.out.println(this.hashCode());
    }
}

class EnumTest{
    public static void main(String[] args) {
        EnmuSingleton instance = EnmuSingleton.INSTANCE;
        EnmuSingleton instance1 = EnmuSingleton.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance1); //true
    }
}

6 序列化

1）可以利用指定方法来替换从反序列化流中的数据如下

ANY-ACCESS-MODIFIER Object readResolve() throws ObjectStreamException;

package test;

import java.io.*;

public class InnerClassSingletonTest  {
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {

        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();

//        序列化实例
//        InnerClassSingleton instance = InnerClassSingleton.getInstance();
//        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("testSerializable"));
//        oos.writeObject(instance);
//        oos.close();

        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("testSerializable"));
        Object obj = (InnerClassSingleton)ois.readObject();

        System.out.println(instance == obj);  //false,单例拿到的对象和序列化拿到的对象不是同一个


    }

    static class InnerClassSingleton implements Serializable {
        
       // static final long serialVersionUID = 42L;
        
        //静态内部内，本质也是jav的类加载机制
        private static class InnerClassHolder {
            private static InnerClassSingleton instance = new InnerClassSingleton();
        }

        //私有构造方法
        private InnerClassSingleton() {
            if (InnerClassHolder.instance != null) {
                throw new RuntimeException("单例不允许多个实例");
            }
        }

        //公共的获取实例的方法
        public static InnerClassSingleton getInstance() {
            return InnerClassHolder.instance;
        }
        
        //Object readResolve() throws ObjectStreamException{
           // return InnerClassHolder.instance;
        //}
        
    }
}

解决办法：

Classes that need to designate a replacement when an instance of it
 * is read from the stream should implement this special method with the
 * exact signature.
 *
 * <PRE>
 * ANY-ACCESS-MODIFIER Object readResolve() throws ObjectStreamException;
 * </PRE><p>
 
 添加版本号和实现方法
 static final long serialVersionUID = 42L;
 Object readResolve() throws ObjectStreamException{
            return InnerClassHolder.instance;
        }

jdk源码中的应用

Idea：ctrl+N 搜索Runtime

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }
    private Runtime() {}
}
标准的饿汉形式的单例模式

Idea：ctrl+N 搜索 DefaultSingletonBeanRegistry


private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<String, Object>(64);


protected void addSingleton(String beanName, Object singletonObject) {}
		

protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference){}