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单例模式，你真的写对了吗?（单例模式简单例子）

ccvgpt 2024-07-28 12:11:25 基础教程 10 ℃ 
作者：何甜甜在吗
来源：juejin.im/post/5d8cc45ae51d4577ef53de12

看公司代码的时候发现项目中单例模式应用挺多的，并且发现的两处单例模式用的还是不同的方式实现的，那么单例模式到底有几种写法呢？单例模式看似很简单，但是实际写起来却问题多多。

本文大纲

单例模式，你真的写对了吗?（单例模式简单例子）

  • 什么是单例模式
  • 饿汉式创建单例对象
  • 懒汉式创建单例对象
  • 单例模式的优缺点
  • 单例模式的应用场景

什么是单例模式

确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，并且有两种创建方式，一种是饿汉式创建，另外一种是懒汉式创建

饿汉式创建单例模式

饿汉式创建就是在类加载时就已创建好对象，而不是在需要时在创建对象

public class HungrySingleton {
 private static HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();
 /**
 * 私有构造函数，不能被外部所访问
 */
 private HungrySingleton() {}
 /**
 * 返回单例对象
 * */
 public static HungrySingleton getHungrySingleton() {
 return hungrySingleton;
 }
}

说明：

  • 构造函数私有化，保证外部不能调用构造函数创建对象，创建对象的行为只能由这个类决定
  • 只能通过getHungrySingleton方法获取对象
  • HungrySingleton对象已经创建完成【在类加载时创建】

缺点：

  • 如果getHungrySingleton一直没有被使用到，有点浪费资源


优点：

  • 由ClassLoad保证线程安全


懒汉式创建单例模式

懒汉式创建就是在第一次需要该对象时在创建

存在错误的懒汉式创建单例对象 根据定义很容易在上面饿汉式的基础上进行修改

public class LazySingleton {
 private static LazySingleton lazySingleton = null;
 /**
 * 构造函数私有化
 * */
 private LazySingleton() {
 }
 private static LazySingleton getLazySingleton() {
 if (lazySingleton == null) {
 return new LazySingleton();
 }
 return lazySingleton;
 }
}

说明：

  • 构造函数私有化
  • 当需要时【getLazySingleton方法调用时】才创建

嗯，好像没什么问题，但是当有多个线程同时调用getLazySingleton方法时，此时刚好对象没有初始化，两个线程同时通过lazySingleton == null的校验，将会创建两个LazySingleton对象。必须搞点手段使getLazySingleton方法是线程安全的

synchronize或Lock

很容易想到使用synchronize或Lock对方法进行加锁 使用synchronize：

这两种方式虽然保证了线程安全，但是性能较差，因为线程不安全主要是由这段代码引起的：

if (lazyLockSingleton == null) {
 lazyLockSingleton = new LazyLockSingleton();
}

给方法加锁无论对象是否已经初始化都会造成线程阻塞。如果对象为null的情况下才进行加锁，对象不为null的时候则不进行加锁，那么性能将会得到提升，双重锁检查可以实现这个需求

双重锁检查

在加锁之前先判断lazyDoubleCheckSingleton == null是否成立，如果不成立直接返回创建好的对象，成立在加锁

说明：

为什么需要对lazyDoubleCheckSingleton添加volatile修饰符

因为lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();不是原子性的，分为三步：

  • 为lazyDoubleCheckSingleton分配内存
  • 调用构造函数进行初始化
  • 将lazyDoubleCheckSingleton对象指向分配的内存【执行完这步lazyDoubleCheckSingleton将不为null】

为了提高程序的运行效率，编译器会进行一个指令重排，步骤2和步骤三进行了重排，线程1先执行了步骤一和步骤三，执行完后，lazyDoubleCheckSingleton不为null，此时线程2执行到if (lazyDoubleCheckSingleton == null)，线程2将可能直接返回未正确进行初始化的lazyDoubleCheckSingleton对象。

出错的原因主要是lazyDoubleCheckSingleton未正确初始化完成【写】，但是其他线程已经读取lazyDoubleCheckSingleton的值【读】，使用volatile可以禁止指令重排序，通过内存屏障保证写操作之前不会调用读操作【执行if (lazyDoubleCheckSingleton == null)】

缺点：

  • 为了保证线程安全，代码不够优雅过于臃肿


静态内部类

public class LazyStaticSingleton {
 /**
 * 静态内部类
 * */
 private static class LazyStaticSingletonHolder {
 private static LazyStaticSingleton lazyStaticSingleton = new LazyStaticSingleton();
 }
 /**
 * 构造函数私有化
 * */
 private LazyStaticSingleton() {
 }
 public static LazyStaticSingleton getLazyStaticSingleton() {
 return LazyStaticSingletonHolder.lazyStaticSingleton;
 }
}

静态内部类在调用时才会进行初始化，因此是懒汉式的，LazyStaticSingleton lazyStaticSingleton = new LazyStaticSingleton();看似是饿汉式的，但是只有调用getLazyStaticSingleton时才会进行初始化，线程安全由ClassLoad保证，不用思考怎么加锁

前面几种方式实现单例的方式虽然各有优缺点，但是基本实现了单例线程安全的要求。但是总有人看不惯单例模式勤俭节约的作用，对它进行攻击。对它进行攻击无非就是创建不只一个类，java中创建对象的方式有new、clone、序列化、反射。构造函数私有化不可能通过new创建对象、同时单例类没有实现Cloneable接口无法通过clone方法创建对象，那剩下的攻击只有反射攻击和序列化攻击了

反射攻击：

public class ReflectAttackTest {
 public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
 //静态内部类
 LazyStaticSingleton lazyStaticSingleton = LazyStaticSingleton.getLazyStaticSingleton();
 //通过反射创建LazyStaticSingleton
 Constructor<LazyStaticSingleton> constructor = LazyStaticSingleton.class.getDeclaredConstructor();
 constructor.setAccessible(true);
 LazyStaticSingleton lazyStaticSingleton1 = constructor.newInstance();
 //打印结果为false，说明又创建了一个新对象
 System.out.println(lazyStaticSingleton == lazyStaticSingleton1);
 //synchronize
 LazySynchronizeSingleton lazySynchronizeSingleton = LazySynchronizeSingleton.getLazySynchronizeSingleton();
 Constructor<LazySynchronizeSingleton> lazySynchronizeSingletonConstructor = LazySynchronizeSingleton.class.getDeclaredConstructor();
 lazySynchronizeSingletonConstructor.setAccessible(true);
 LazySynchronizeSingleton lazySynchronizeSingleton1 = lazySynchronizeSingletonConstructor.newInstance();
 System.out.println(lazySynchronizeSingleton == lazySynchronizeSingleton1);
 //lock
 LazyLockSingleton lazyLockSingleton = LazyLockSingleton.getLazyLockSingleton();
 Constructor<LazyLockSingleton> lazyLockSingletonConstructor = LazyLockSingleton.class.getConstructor();
 lazyLockSingletonConstructor.setAccessible(true);
 LazyLockSingleton lazyLockSingleton1 = lazyLockSingletonConstructor.newInstance();
 System.out.println(lazyLockSingleton == lazyLockSingleton1);
 //双重锁检查
 LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = LazyDoubleCheckSingleton.getLazyDoubleCheckSingleton();
 Constructor<LazyDoubleCheckSingleton> lazyDoubleCheckSingletonConstructor = LazyDoubleCheckSingleton.class.getConstructor();
 lazyDoubleCheckSingletonConstructor.setAccessible(true);
 LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton1 = lazyDoubleCheckSingletonConstructor.newInstance();
 System.out.println(lazyDoubleCheckSingleton == lazyDoubleCheckSingleton1);
 }
}

基于静态内部类和基于synchronize加锁创建单例对象的方式都可以通过反射的方式创建新对象，存在反射攻击，其余几种创建单例对象的方式使用反射创建新对象将会报错。针对存在的反射攻击根据网上提供的思路在抢救一下，抢救姿势如下：

 private LazySynchronizeSingleton() {
 //flag为线程间共享，进行加锁控制
 synchronized (LazySynchronizeSingleton.class) {
 if (flag == false) {
 flag = !flag;
 } else {
 throw new RuntimeException("单例模式被攻击");
 }
 }
 }

构造函数只能调用一次，调用第二次将抛出异常，通过flag来判断构造函数是否已经被调用过一次了。但是我们仍可以通过反射修改flag的值：

//调用反射前将flag设置为false
Field flagField = lazySynchronizeSingleton.getClass().getDeclaredField("flag");
flagField.setAccessible(true);
flagField.set(lazySynchronizeSingleton, false);

抢救失败，你可能想通过final修饰禁止修改，但是反射可以先去除final，在加上final修改值，对于反射攻击，无力回天，只能选择不适用存在反射攻击的单例创建方式

反序列化攻击：

public class SerializableAttackTest {
 public static void main(String[] args) {
 //懒汉式
 HungrySingleton hungrySingleton = HungrySingleton.getHungrySingleton();
 //序列化
 byte[] serialize = SerializationUtils.serialize(hungrySingleton);
 //反序列化
 HungrySingleton hungrySingleton1 = SerializationUtils.deserialize(serialize);
 System.out.println(hungrySingleton == hungrySingleton1);
 //双重锁
 LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = LazyDoubleCheckSingleton.getLazyDoubleCheckSingleton();
 byte[] serialize1 = SerializationUtils.serialize(lazyDoubleCheckSingleton);
 LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton11 = SerializationUtils.deserialize(serialize1);
 System.out.println(lazyDoubleCheckSingleton == lazyDoubleCheckSingleton11);
 //lock
 LazyLockSingleton lazyLockSingleton = LazyLockSingleton.getLazyLockSingleton();
 byte[] serialize2 = SerializationUtils.serialize(lazyLockSingleton);
 LazyLockSingleton lazyLockSingleton1 = SerializationUtils.deserialize(serialize2);
 System.out.println(lazyLockSingleton == lazyLockSingleton1);
 //synchronie
 LazySynchronizeSingleton lazySynchronizeSingleton = LazySynchronizeSingleton.getLazySynchronizeSingleton();
 byte[] serialize3 = SerializationUtils.serialize(lazySynchronizeSingleton);
 LazySynchronizeSingleton lazySynchronizeSingleton1 = SerializationUtils.deserialize(serialize3);
 System.out.println(lazySynchronizeSingleton == lazySynchronizeSingleton1);
 //静态内部类
 LazyStaticSingleton lazyStaticSingleton = LazyStaticSingleton.getLazyStaticSingleton();
 byte[] serialize4 = SerializationUtils.serialize(lazySynchronizeSingleton);
 LazyStaticSingleton lazyStaticSingleton1 = SerializationUtils.deserialize(serialize4);
 System.out.println(lazyStaticSingleton == lazyStaticSingleton1);
 }
}

打印结果都为false，都存在反序列化攻击

对于反序列化攻击，还是有有效的抢救方式的，抢救姿势如下：

private Object readResolve() {
 return lazySynchronizeSingleton;
}

添加readResolve方法并返回创建的单例对象，至于抢救的原理，可以通过跟进SerializationUtils.deserialize的代码可知

上述实现单例对象的方式既要考虑线程安全、又要考虑攻击，而通过枚举创建单例对象完全不用担心这些问题

枚举

public enum EnumSingleton {
 INSTANCE;
 public static EnumSingleton getEnumSingleton() {
 return INSTANCE;
 }
}

代码实现也相当优美，总共才8行代

实现原理：枚举类的域(field)其实是相应的enum类型的一个实例对象

可以参考：

https://stackoverflow.com/questions/26285520/implementing-singleton-with-an-enum-in-java

枚举攻击测试：

public class EnumAttackTest {
 public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException, NoSuchMethodException {
 EnumSingleton enumSingleton = EnumSingleton.getEnumSingleton();
 //序列化攻击
 byte[] serialize4 = SerializationUtils.serialize(enumSingleton);
 EnumSingleton enumSingleton2 = SerializationUtils.deserialize(serialize4);
 System.out.println(enumSingleton == enumSingleton2);
 //反射攻击
 Constructor<EnumSingleton> enumSingletonConstructor = EnumSingleton.class.getConstructor();
 enumSingletonConstructor.setAccessible(true);
 EnumSingleton enumSingleton1 = enumSingletonConstructor.newInstance();
 System.out.println(enumSingleton == enumSingleton1);
 }
}

反射攻击将会抛出异常，序列化攻击对它无效，打印结果为true，用枚举创建单例对象真的是无懈可击

单例模式的优点

  • 只创建了一个实例，节省内存开销
  • 减少了系统的性能开销，创建对象回收对象对性能都有一定的影响
  • 避免对资源的多重占用
  • 在系统设置全局的访问点，优化和共享资源优化

总结一下就是节约资源、提升性能

单例模式的缺点

  • 不适用于变化的对象
  • 单例模式中没有抽象层，扩展有困难
  • 与单一原则冲突。一个类应该只实现一个逻辑，而不关心它是否单例，是不是单例应该由业务决定

单例模式的应用场景

  • Spring IOC默认使用单例模式创建bean
  • 创建对象需要消耗的资源过多时
  • 需要定义大量的静态常量和静态方法的环境，比如工具类【感觉是最常见应用场景】

小结

总共介绍了六种正确创建单例对象的方式，推荐使用饿汉式创建单例对象的方式，如果对资源使用有要求，则推荐使用静态内部类【注意反序列化攻击】，其他方式在保证线程安全的同时对性能将会有影响。枚举类其实是非常不错的，线程安全、不存在反射攻击和反序列化攻击，但是感觉这种创建单例方式应用较少，公司代码中使用的是双重锁检查和静态内部类【存在反序列化攻击】创建单例方式，甚至之前出去面试时面试官让写一个单例，我使用的是枚举方式，面试官都不知道有这种方式

完整例子代码+测试代码：

https://github.com/TiantianUpup/design-patterns

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