java设计模式之 -- 单例模式

单例模式

单例模式是GoF设计模式其中的一种并且属于创造的设计模式目录。

单例模式限制类的实例和确保java类在java虚拟机中只有一个实例的存在。

单例类必须提供一个全局的访问来获取类的实例。

单例模式用来日志，驱动对象，缓存和线程池。

单例设计模式也用在其他设计模式，例如抽象工厂，建造者，原型，门面等设计模式。

单例模式还用在核心java中，例如java.lang.Runtime, java.awt.Desktop

1、先写一个现场安全的单例

public class Singleton {
    private Singleton() {}  //私有构造函数
    private volatile static Singleton instance = null;  //单例对象
    //静态工厂方法
    public static Singleton getInstance() {
          if (instance == null) {      //双重检测机制
         synchronized (Singleton.class){  //同步锁
           if (instance == null) {     //双重检测机制
             instance = new Singleton();
                }
             }
          }
          return instance;
      }
}

代码解释：

1.要想让一个类只能构建一个对象，自然不能让它随便去做new操作，因此Signleton的构造方法是私有的。

2.instance是Singleton类的静态成员，也是我们的单例对象。它的初始值可以写成Null，也可以写成new Singleton()。至于其中的区别后来会做解释。

3.getInstance是获取单例对象的方法。

4.为了防止new Singleton被执行多次，因此在new操作之前加上Synchronized 同步锁，锁住整个类（注意，这里不能使用对象锁）

5.进入Synchronized 临界区以后，还要再做一次判空。因为当两个线程同时访问的时候，线程A构建完对象，线程B也已经通过了最初的判空验证，不做第二次判空的话，线程B还是会再次构建instance对象。像这样两次判空的机制叫做双重检测机制。

6.为什么在单例对象加上了一个volatile ，这里涉及到了JVM编译器的指令重排。

经过volatile的修饰，当线程A执行instance = new Singleton的时候，JVM执行顺序是什么样？始终保证是下面的顺序：

memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间

ctorInstance(memory); //2：初始化对象

instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址

如果没加volatile ，JVM和CPU有可能将上面的排序进行优化

memory =allocate();    //1：分配对象的内存空间 

instance =memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址 

ctorInstance(memory);  //2：初始化对象

当线程A执行完1,3,时，instance对象还未完成初始化，但已经不再指向null。此时如果线程B抢占到CPU资源，执行 if（instance == null）的结果会是false，从而返回一个没有初始化完成的instance对象。

补充：volatile关键字不但可以防止指令重排，也可以保证线程访问的变量值是主内存中的最新值。

ps：

如果单例初始值是null，还未构建，则构建单例对象并返回。这个写法属于单例模式当中的懒汉模式。

如果单例对象一开始就被new Singleton()主动构建，则不再需要判空操作，这种写法属于饿汉模式。

2、用静态内部类实现单例模式

public class Singleton {
    private static class LazyHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

1.从外部无法访问静态内部类LazyHolder，只有当调用Singleton.getInstance方法的时候，才能得到单例对象INSTANCE。

2.INSTANCE对象初始化的时机并不是在单例类Singleton被加载的时候，而是在调用getInstance方法，使得静态内部类LazyHolder被加载的时候。

因此这种实现方式是利用classloader的加载机制来实现懒加载，并保证构建单例的线程安全。

注意：此方法不能防止利用反射来重复构建对象。

3、利用反射打破单例

 public static void main(String[] args) throws Exception {
        //获得构造器
        Constructor con = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
        //设置为可访问
        con.setAccessible(true);
        //构造两个不同的对象
        Singleton singleton1 = (Singleton)con.newInstance();
        Singleton singleton2 = (Singleton)con.newInstance();
        //验证是否是不同对象
        System.out.println(singleton1.equals(singleton2));
    }

代码可以简单归纳为三个步骤：

第一步，获得单例类的构造器。

第二步，把构造器设置为可访问。

第三步，使用newInstance方法构造对象。

最后为了确认这两个对象是否真的是不同的对象，我们使用equals方法进行比较。毫无疑问，比较结果是false。

4、阻止反射创建单例

　　1.用枚举实现单例模式：

public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;
}

有了enum方法，JVM会阻止反射获取枚举类的私有构造方法

public static void main(String[] args) throws Exception {
    //获得构造器
    Constructor con = SingletonEnum.class.getDeclaredConstructor();
    //设置为可访问
    con.setAccessible(true);
    //构造两个不同的对象
    Singleton singleton1 = (Singleton)con.newInstance();
    Singleton singleton2 = (Singleton)con.newInstance();
    //验证是否是不同对象
    System.out.println(singleton1.equals(singleton2));
}

再次执行构造器方法

执行结果：