23设计模式之 --------- 单例模式

默_语
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💙单例模式

1.单例模式简介

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

Java中单例模式定义：“一个类有且仅有一个实例，并且自行实例化向整个系统提供。”

单例模式要构造器私有化；
在这里插入图片描述

2.单例模式介绍

意图：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。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：

1、一个班级只有一个班主任。
2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。
优点：

1、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（比如管理学院首页页面缓存）。
2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：

1、要求生产唯一序列号。
2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

3.0 单例模式实现DEMO

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。
在这里插入图片描述
步骤 1
创建一个 Singleton 类。

public class SingleObject {
 
   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
 
   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}
 
   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
 
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

步骤 2
从 singleton 类获取唯一的对象。

public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      //不合法的构造函数
      //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();
 
      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
 
      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

步骤 3
执行程序，输出结果：

Hello World!

\

4.0 单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式，如下所示：

4.1饿汉式

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变(final)，所以天生是线程安全的。

饿汉式有能可能是会浪费内存的（如有不理解请指出）

代码如下：

//饿汉式单例
public class Hungry {


    //饿汉一上来就把全部对象都加载进来  但此处并没有使用就会导致空间的浪费
    private byte[] data = new byte[1024 * 1024];
    private byte[] data1 = new byte[1024 * 1024];
    private byte[] data2 = new byte[1024 * 1024];
    private byte[] data3 = new byte[1024 * 1024];



    //私有的无参构造
    private Hungry() {

    }

    //饿汉式一上来就创建一个唯一不可变的对象（一上来不管三七二一就会把他的对象加载了）
    private final static Hungry HUNGRY = new Hungry();

    //抛出一个对外的方法
    public static Hungry getInstance() {
        return HUNGRY;
    }


}

4.2 懒汉式

1、懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

实现难度：易

描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

//懒汉式单例
public class LazyMan {

    //私有构造
    private LazyMan(){

    }

    private static LazyMan lazyMan;


    //这种称之为懒汉式 只有当我们真正使用的时候才会去创建
    public static LazyMan getInstance(){
        if (lazyMan==null){
            lazyMan = new LazyMan();

        }
        return lazyMan;
    }

    //此（懒汉式）方法单线程下是ok的
}

4.2.1懒汉式（多线程并发情况）

（懒汉式）方法单线程下是ok的，但遇到多线程且并发的情况下就会产生一系列的问题；DEMO如下我们一起来看；

package com.example.democrud.democurd.single;

//懒汉式单例
public class LazyMan {

    //私有构造
    private LazyMan(){
         //打印下
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"老闫牛逼");
    }

    private static LazyMan lazyMan;


    //这种称之为懒汉式 只有当我们真正使用的时候才会去创建
    public static LazyMan getInstance(){
        if (lazyMan==null){
            lazyMan = new LazyMan();

        }
        return lazyMan;
    }

    //此（懒汉式）方法单线程下是ok的

   //多线程并发
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
   new Thread(()->{
       LazyMan.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}

第一次执行：

Thread-0老闫牛逼
Thread-3老闫牛逼
Thread-1老闫牛逼

第二次执行：

Thread-0老闫牛逼
Thread-1老闫牛逼

第三次执行：

Thread-0老闫牛逼
Thread-7老闫牛逼

由此可得出他在多线程的情况下是及其不稳定的存在；那么我们如何解决这个问题呢？
请看代码：
\

4.2.2 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

双重检测锁模式的 懒汉式单例 也称作 DCL懒汉式

package com.example.democrud.democurd.single;

//懒汉式单例
public class LazyMan {

    //私有构造
    private LazyMan(){
         //打印下
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"老闫牛逼");
    }

    private static LazyMan lazyMan;

//**************************************************************
  //双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式
    public static LazyMan getInstance(){
        if (lazyMan==null){
            synchronized (LazyMan.class){
                if (lazyMan==null){
                    lazyMan=new LazyMan();
                }
            }
        }
//**************************************************************
        if (lazyMan==null){
            lazyMan = new LazyMan();

        }
        return lazyMan;
    }

    //此（懒汉式）方法单线程下是ok的

   //多线程并发
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
   new Thread(()->{
       LazyMan.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}

请看执行结果：

Thread-0老闫牛逼

Thread-0老闫牛逼

Thread-0老闫牛逼

同样我们也是执行了3次结果是正确的；（一般情况下这样即可）

但即使这样他在特殊的情况也是会出现一些特殊的情况的；
那是因为不具有原子性（也就是执行的唯一性）在没有的原子性的情况下就会导致他的执行顺序错乱；

我们下面看一个实例：

1.分配内存空降
2.执行构造方法，初始化对象
3.把这个对象执行这个空间

我们常常认为正常的执行顺序会是 1，2，3
但往往在多线程的情况会影响他们执行顺序可能会执行 132 或者其他等等；

我们加入了volatile 使其具有了原子性的操作性能；就可以避免上次产的问题；

/懒汉式单例
public class LazyMan {

    //私有构造
    private LazyMan(){
         //打印下
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"老闫牛逼");
    }
    //----------------volatile原子性-----------------------------
 //使其具有原子性操作
    private volatile static LazyMan lazyMan;
    //---------------------------------------------

  //双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式
    public static LazyMan getInstance(){
        if (lazyMan==null){
            synchronized (LazyMan.class){
                if (lazyMan==null){
                    lazyMan=new LazyMan();
                }
            }
        }

        if (lazyMan==null){
            lazyMan = new LazyMan();

        }
        return lazyMan;
    }

    //此（懒汉式）方法单线程下是ok的

   //多线程并发
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
   new Thread(()->{
       LazyMan.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}

5.0 静态内部类/登记式

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：一般

描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。

因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

静态内部类：我们在一个类里面再写一个静态的内部类 称之为 静态内部类

//静态内部类：我们在一个类里面再写一个静态的内部类 称之为 静态内部类 
public class Holder {

    private  Holder(){

    }

//调用静态内部类
public static Holder getInstance(){
       return  Innerclass.HOLDER;
}

//静态内部类 static 代表静态 final 不可变
    public static class Innerclass{
      private  static  final Holder HOLDER =new Holder();
    }


}

6.0 反射破坏单例模式

此处用反射和懒汉式为例：

其实上述这些都不是安全的，我们都可以采用内部类进行破坏；

//懒汉式单例
public class LazyMan {

    //私有构造
    private LazyMan() {
        //打印下
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "老闫牛逼");
    }

    //----------------volatile原子性-----------------------------
    //使其具有原子性操作
    private volatile static LazyMan lazyMan;
    //---------------------------------------------

    //双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }

        if (lazyMan == null) {
            lazyMan = new LazyMan();

        }
        return lazyMan;
    }

//**************************************************
    //反射破坏单例
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //执行第一次
        LazyMan instance=LazyMan.getInstance();
        //创建空的构造器
        Constructor<LazyMan> constructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
        //默认为false  无视私有构造器(private)也可以理解为现在private public
        constructor.setAccessible(true);
        //执行第二次
        LazyMan lazyMan1 = constructor.newInstance();

        System.out.println("instance==>"+instance);
        System.out.println("lazyMan1==>"+lazyMan1);
    }

//**************************************************

运行结果

main老闫牛逼
main老闫牛逼
instance==>com.example.democrud.democurd.single.LazyMan@193b845
lazyMan1==>com.example.democrud.democurd.single.LazyMan@817b38

在这里插入图片描述
他们已经不是一个值；单例模式的话应该是一个值；

那么如何防止此次单例模式的破坏呢？

我们加入异常他如果强行闯入我们就抛出异常；

//懒汉式单例
public class LazyMan {
//*********************************
    //私有构造
    private LazyMan() {
      //防止反射此处加入锁  三层锁
   synchronized (LazyMan.class){
       if (lazyMan!=null){
           throw  new RuntimeException("请您不要试图使用反射破坏锁异常");
       }
   }
//*********************************
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "老闫牛逼");
    }

    //----------------volatile原子性-----------------------------
    //使其具有原子性操作
    private volatile static LazyMan lazyMan;
    //---------------------------------------------

    //双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }

        if (lazyMan == null) {
            lazyMan = new LazyMan();

        }
        return lazyMan;
    }


    //反射破坏单例
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //执行第一次
        LazyMan instance=LazyMan.getInstance();
        //创建空的构造器
        Constructor<LazyMan> constructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
        //默认为false  无视私有构造器(private)也可以理解为现在private public
        constructor.setAccessible(true);
        //执行第二次
        LazyMan lazyMan1 = constructor.newInstance();

        System.out.println("instance==>"+instance);
        System.out.println("lazyMan1==>"+lazyMan1);
    }



}

在这里插入图片描述
即使这样我们也只能解决 LazyMan instance=LazyMan.getInstance();他的创建对象的方法；

那么我们如果不用他去创建的话，那么单例模式再次被破话！！！

在这里插入图片描述

//懒汉式单例
public class LazyMan {
//*********************************
    //私有构造
    private LazyMan() {
      //防止反射此处加入锁  三层锁
   synchronized (LazyMan.class){
       if (lazyMan!=null){
           throw  new RuntimeException("请您不要试图使用反射破坏锁异常");
       }
   }
//*********************************
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "老闫牛逼");
    }

    //----------------volatile原子性-----------------------------
    //使其具有原子性操作
    private volatile static LazyMan lazyMan;
    //---------------------------------------------

    //双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }

        if (lazyMan == null) {
            lazyMan = new LazyMan();

        }
        return lazyMan;
    }


    //反射破坏单例
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //执行第一次
     //   LazyMan instance=LazyMan.getInstance();
        //创建空的构造器
        Constructor<LazyMan> constructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
        //默认为false  无视私有构造器(private)也可以理解为现在private public
        constructor.setAccessible(true);
        //执行第二次
        LazyMan lazyMan1 = constructor.newInstance();
        LazyMan lazyMan2 = constructor.newInstance();

        System.out.println("lazyMan2==>"+lazyMan2);
        System.out.println("lazyMan1==>"+lazyMan1);
    }

我们这个时候可以设置一个变量；利用变量进行操作
在这里插入图片描述


//懒汉式单例
public class LazyMan {

     //leees 可以是一串密钥或其他东西
    private  static boolean  leees=false;


    //私有构造
    private LazyMan() {

   synchronized (LazyMan.class){
       if (leees==false){
           leees=true;
       }else {
           throw  new RuntimeException("请您不要试图使用反射破坏锁异常");
       }

   }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "老闫牛逼");
    }

    //----------------volatile原子性-----------------------------
    //使其具有原子性操作
    private volatile static LazyMan lazyMan;
    //---------------------------------------------

    //双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }

        if (lazyMan == null) {
            lazyMan = new LazyMan();

        }
        return lazyMan;
    }


    //反射破坏单例
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //执行第一次
     //   LazyMan instance=LazyMan.getInstance();
        //创建空的构造器
        Constructor<LazyMan> constructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
        //默认为false  无视私有构造器(private)也可以理解为现在private public
        constructor.setAccessible(true);
        //执行第二次
        LazyMan lazyMan1 = constructor.newInstance();
        LazyMan lazyMan2 = constructor.newInstance();

        System.out.println("lazyMan2==>"+lazyMan2);
        System.out.println("lazyMan1==>"+lazyMan1);
    }



}

他这个时候就可以对反射进行拦截；

但我们获取这个变量之后，利用变量再应用反射再次对他值进行破坏；再次破坏成功；

//懒汉式单例
public class LazyMan {

     //leees 可以是一串密钥或其他东西
    private  static boolean  leees=false;


    //私有构造
    private LazyMan() {

   synchronized (LazyMan.class){
       if (leees==false){
           leees=true;
       }else {
           throw  new RuntimeException("请您不要试图使用反射破坏锁异常");
       }

   }


    }

    //----------------volatile原子性-----------------------------
    //使其具有原子性操作
    private volatile static LazyMan lazyMan;
    //---------------------------------------------

    //双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }

        if (lazyMan == null) {
            lazyMan = new LazyMan();

        }
        return lazyMan;
    }


    //反射破坏单例
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //获取他的字段
        Field leees1 = LazyMan.class.getDeclaredField("leees");
        //对他的值进行破坏
         leees1.setAccessible(true);
        System.out.println("leees1的值"+ JSON.toJSONString(leees1));

        //执行第一次
     //   LazyMan instance=LazyMan.getInstance();
        //创建空的构造器
        Constructor<LazyMan> constructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
        //默认为false  无视私有构造器(private)也可以理解为现在private public
        constructor.setAccessible(true);
        //执行第二次
        LazyMan lazyMan1 = constructor.newInstance();
        leees1.set(lazyMan1,false);
        LazyMan lazyMan2 = constructor.newInstance();



        System.out.println("lazyMan2==>"+lazyMan2);
        System.out.println("lazyMan1==>"+lazyMan1);
    }



}

leees1的值{"accessible":true,"annotatedType":{"annotations":[],"declaredAnnotations":[],"type":"boolean"},"annotations":[],"declaringClass":"com.example.democrud.democurd.single.LazyMan","enumConstant":false,"genericType":"boolean","modifiers":10,"name":"leees","synthetic":false,"type":"boolean"}
lazyMan2==>com.example.democrud.democurd.single.LazyMan@4c0bc4
lazyMan1==>com.example.democrud.democurd.single.LazyMan@679bde

我们此时去看看源码如何去解决这个问题？

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

不要使用反射去破坏
通过源码分析如果是枚举类型不能使用反射去破坏他;

创建一个枚举 我们去查看下；


//enum 是什么？ 是枚举（jdk1.5有的）  本身也是一个class的类
public enum EnumSingle {

     INSTANNCE;

     public  EnumSingle getInstannce(){
         return INSTANNCE;
     }



class Test{
         public static void main(String[] args) {
             EnumSingle single = EnumSingle.INSTANNCE;
             EnumSingle single2 = EnumSingle.INSTANNCE;


             System.out.println(single);
             System.out.println(single2);
         }

     }

}

在这里插入图片描述
我们们正常查看代码是有问题的无法实现我们的枚举对反射的处理；我们查看源码之后也是错误（idea导致）；故需要反编译下源代码；

实际是有参的；idea看到的确实无参；（反编译请看7.0扩展）
在这里插入图片描述
此处为有参即可正常防止反射的进入；也提示了错误；

在这里插入图片描述

7.0扩展：class反编译

java -p 类.class 反编译：
在这里插入图片描述
我们使用第二中使用工具jap进行反编译；

地址：varaneckas.com/jad/
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

jad -s java 类.class  即可反编译

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反编译成功；

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