【设计模式】之单例模式

单例模式

什么是单例模式

单例模式属于管理实例的创造型类型模式。单例模式保证在你的应用种最多只有一个指定类的实例。

单例模式应用场景

  • 项目配置类

读取项目的配置信息的类可以做成单例的，因为只需要读取一次，且配置信息字段一般比较多节省资源。通过这个单例的类，可以对应用程序中的类进行全局访问。无需多次对配置文件进行多次读取。

  • 应用日志类

日志器Logger在你的应用中是无处不在的。也应该只初始化一次，但是可以到处使用。

  • 分析和报告类

如果你在使用一些数据分析工具例如Google Analytics。你就可以注意到它们被设计成单例的，仅仅初始化一次，然后在用户的每一个行为中都可以使用。

单例模式简图

实现单例模式的类

  • 将默认的构造器设置为private。阻止其他类从应用中直接初始化该类。

  • 创建一个public static 的静态方法。该方法用于返回一个单例类实例。

  • 还可以选择懒加载初始化更友好。

示例代码

示例代码参见以下类

  • org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton
public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    // 构造器私有化
    private Singleton(){

    }

    // 提供静态方法
    public static Singleton getInstance(){

        // 懒加载初始化，在第一次使用时才创建实例
        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return  instance;
    }


    public void display(){
        System.out.println("Hurray! I am create as a Singleton!");
    }


}

单元测试类:

package org.byron4j.cookbook.designpattern;

import org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton;
import org.junit.Test;

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SingletonTest {

    @Test
    public void test(){
        final Set<Singleton> sets = new HashSet<>();

        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10000);

        for(int i = 1; i <= 100000; i++){
            es.execute(new Runnable() {
                public  void run(){
                    Singleton s = Singleton.getInstance();
                    sets.add(s);
                }
            });
        }

        System.out.println(sets);

    }
}

运行输出如下，结果生成了多个Singleton实例：

[org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton@46b91344, org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton@1f397b96]

线程安全的单例模式

线程安全对于单例类来说是非常重要的。上述Singleton类是非线程安全的，因为在线程并发的场景下，可能会创建多个Singleton实例。

为了规避这个问题，我们可以将 getInstance 方法用同步字 synchronized 修饰，这样迫使线程等待直到前面一个线程执行完毕，如此就避免了同时存在多个线程访问该方法的场景。

public static synchronized Singleton getInstance() {
        
        // Lazy initialization, creating object on first use
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
}

这样确实解决了线程安全的问题。但是，synchronized关键字存在严重的性能问题。我们还可以进一步优化 getInstance 方法，将实例同步，将方法范围缩小：

public static Singleton getInstance() {

        // Lazy initialization, creating object on first use
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }

    return instance;

}

单元测试三种方式耗时比较：

package org.byron4j.cookbook.designpattern;

import org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton;
import org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.SingletonSynchronized;
import org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.SingletonSynchronizedOptimized;
import org.junit.Test;

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SingletonTest {

    @Test
    public void test(){
        final Set<Singleton> sets = new HashSet<>();
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10000);

        for(int i = 1; i <= 100000; i++){
            es.execute(new Runnable() {
                public  void run(){
                    Singleton s = Singleton.getInstance();
                    sets.add(s);
                }
            });
        }
        System.out.println("test用时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
        System.out.println(sets);

    }

    @Test
    public void testSynchronized(){
        final Set<SingletonSynchronized> sets = new HashSet<>();
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10000);

        for(int i = 1; i <= 100000; i++){
            es.execute(new Runnable() {
                public  void run(){
                    SingletonSynchronized s = SingletonSynchronized.getInstance();
                    sets.add(s);
                }
            });
        }
        System.out.println("testSynchronized用时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
        System.out.println(sets);

    }

    @Test
    public void testOptimised(){
        final Set<SingletonSynchronizedOptimized> sets = new HashSet<>();
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10000);

        for(int i = 1; i <= 100000; i++){
            es.execute(new Runnable() {
                public  void run(){
                    SingletonSynchronizedOptimized s = SingletonSynchronizedOptimized.getInstance();
                    sets.add(s);
                }
            });
        }

        System.out.println("testOptimised用时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
        System.out.println(sets);

    }
}

运行测试用例，输出如下：

test用时:1564
[org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton@68eae58e]

testSynchronized用时:3658
[org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.SingletonSynchronized@36429a46]

testOptimised用时:2254
[org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.SingletonSynchronizedOptimized@21571826]

可以看到，最开始的实现方式性能是最好的，但是是非线程安全的；
Synchronized 锁住整个getInstance方法，可以做到线程安全，但是性能是最差的；
缩小Synchronized范围，可以提高性能。

防止对象克隆破坏单例模式Singleton

涉及单例类时还要注意clone方法的正确使用：

package org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton;

/**
 * 单例模式实例
 * 1. 构造器私有化
 * 2. 提供静态方法供外部获取单例实例
 * 3. 延迟初始化实例
 */
public class SingletonZClone implements  Cloneable{

    private static SingletonZClone instance;

    // 构造器私有化
    private SingletonZClone(){

    }

    // 提供静态方法
    public static SingletonZClone getInstance(){

        // 将同步锁范围缩小，降低性能损耗
        if(instance == null){
            synchronized (SingletonZClone.class){
                if(instance == null){
                    instance = new SingletonZClone();
                }
            }
        }
        return  instance;
    }

    /**
     * 克隆方法--改为public
     * @return
     * @throws CloneNotSupportedException
     */
    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }

    public void display(){
        System.out.println("Hurray! I am create as a SingletonZClone!");
    }


}

默认情况下clone时protected修饰的，这里改为了public修饰，测试用例如下：

@Test
    public void testClone() throws CloneNotSupportedException {
        SingletonZClone singletonZClone1 = SingletonZClone.getInstance();
        SingletonZClone singletonZClone2 = SingletonZClone.getInstance();
        SingletonZClone singletonZClone3 = (SingletonZClone)SingletonZClone.getInstance().clone();

        System.out.println(singletonZClone1 == singletonZClone2);
        System.out.println(singletonZClone1 == singletonZClone3);
        System.out.println(singletonZClone2 == singletonZClone3);

    }

输出如下：

true
false
false

我们了解一下clone方法的API解释, clone 后的对象虽然属性值可能是一样的，但是已经不是同一个对象实例了：

x.clone() != x

x.clone().getClass() == x.getClass()

x.clone().equals(x)

clone方法返回一个被克隆对象的实例的副本，除了内存地址其他属性值都是一样的，所以副本和被克隆对象不是同一个实例。
可以看出clone方法破坏了单例类，为防止该问题出现，我们需要禁用clone方法，直接改为：

 /**
     * 克隆方法--改为public
     * @return
     * @throws CloneNotSupportedException
     */
    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        throw new CloneNotSupportedException();
    }

防止序列化破坏单例模式

Java序列化机制允许将一个对象的状态转换为字节流，就可以很容易地存储和转移。
一旦对象被序列化，你就可以对其进行反序列化--将字节流转为对象。
如果一个Singleton类被序列化，则可能创建重复的对象。
我们可以使用钩子hook，来解释这个问题。

readResolve()方法

在Java规范中有关于readResolve()方法的介绍：

对于可序列化的和外部化的类，readResolve() 方法允许一个类可以替换/解析从流中读取到的对象。
通过实现 readResolve 方法，一个类就可以直接控制反序列化后的实例以及类型。
定义如下：

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

readResolve 方法会在ObjectInputStream 从流中读取一个对象时调用。ObjectInputStream 会检测类是否定义了 readResolve 方法。
如果 readResolve 方法定义了，会调用该方法用于指定从流中反序列化后作为返回的结果对象。
返回的类型要与原对象的类型一致，不然会出现 ClassCastException。

@Test
    public void testSeria() throws Exception {
        SingletonZCloneSerializable singletonZClone1 = SingletonZCloneSerializable.getInstance();


        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("test.ser"));
        oos.writeObject(singletonZClone1);
        oos.close();
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("test.ser"));
        SingletonZCloneSerializable test = (SingletonZCloneSerializable) ois.readObject();
        ois.close();
        System.out.println(singletonZClone1 == test);

    }

测试输出： false； 说明反序列化的时候已经不是原来的实例了，如此会破坏单例模式。

所以我们可以覆盖 readResolve 方法来解决序列化破坏单例的问题：

类 SingletonZCloneSerializableReadResolve 增加 readResolve 方法：

/**
     * 反序列化时返回instance实例，防止破坏单例模式
     * @return
     */
    protected Object readResolve(){
        return getInstance();
    }

执行测试用例:

@Test
    public void testSReadResolve() throws Exception {
        
         s = SingletonZCloneSerializableReadResolve.getInstance();


        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("test.ser"));
        oos.writeObject(s);
        oos.close();
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("test.ser"));
        SingletonZCloneSerializableReadResolve test = (SingletonZCloneSerializableReadResolve) ois.readObject();
        ois.close();
        System.out.println(s == test);

    }

输出true，有效防止了反序列化对单例的破坏。

使用单例模式的注意事项

  • 单例类是很少使用的，如果你要使用这个设计模式，你必须清楚的知道你在做什么。因为全局范围内仅仅创建一个实例，所以在资源受约束的平台是存在风险的。

  • 注意对象克隆。 单例模式需要仔细检查并阻止clone方法。

  • 多线程访问下，需要注意线程安全问题。

  • 小心多重类加载器，也许会破坏你的单例类。

  • 如果单例类是可序列化的，需要实现严格类型

一个友好的完整单例模式实例

package org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton;

import java.io.Serializable;

/**
 * 单例模式实例
 * 1. 构造器私有化
 * 2. 提供静态方法供外部获取单例实例
 * 3. 延迟初始化实例
 */
public class SingletonZCloneSerializableReadResolve implements  Cloneable, Serializable {

    private static SingletonZCloneSerializableReadResolve instance;

    // 构造器私有化
    private SingletonZCloneSerializableReadResolve(){

    }

    // 提供静态方法
    public static SingletonZCloneSerializableReadResolve getInstance(){

        // 将同步锁范围缩小，降低性能损耗
        if(instance == null){
            synchronized (SingletonZCloneSerializableReadResolve.class){
                if(instance == null){
                    instance = new SingletonZCloneSerializableReadResolve();
                }
            }
        }
        return  instance;
    }

    /**
     * 克隆方法--改为public
     * @return
     * @throws CloneNotSupportedException
     */
    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        throw new CloneNotSupportedException();
    }



    public void display(){
        System.out.println("Hurray! I am create as a SingletonZCloneSerializableReadResolve!");
    }

    /**
     * 反序列化时返回instance实例，防止破坏单例模式
     * @return
     */
    protected Object readResolve(){
        return getInstance();
    }
}
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