单例模式
保证了一个类只有一个实例，并且提供了一个全局访问点。单例模式的主要作用是节省公共资源，方便控制，避免多个实例造成的问题。
实现单例模式的三点：
- 私有构造函数
- 私有静态变量维护对象实例
- 公有静态方法提供获取实例对象
七种单例模式实现
1.静态类：第一次运行初始化，全局使用
2.懒汉模式（线程不安全）：懒汉模式是指在第一次获取实例时才创建对象，实现了延迟加载，构造函数返回当前对象实例，但多个访问者同时获取对象实例，就会有多个同样的实例并存，不满足单例
代码语言：javascript复制public class LazySingleton {
// 私有化构造器
private LazySingleton() {}
// 定义一个静态变量存储唯一的LazySingleton对象
private static LazySingleton instance = null;
// 提供一个公共的静态方法获取LazySingleton对象
public static LazySingleton getInstance() {
// 如果instance为空，则创建一个新的对象
if (instance == null) {
instance = new LazySingleton();
}
// 返回instance对象
return instance;
}
}懒汉模式（线程安全）：加锁，保证线程安全，但是锁占用，导致资源浪费
3.饿汉模式（线程安全）：与第一种方式基本一致，在程序启动时直接运行加载，但是可能造成资源浪费。
代码语言：javascript复制public class HungrySingleton {
// 私有化构造器
private HungrySingleton() {}
// 定义一个静态变量存储唯一的HungrySingleton对象，并且直接初始化
private static HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
// 提供一个公共的静态方法获取HungrySingleton对象
public static HungrySingleton getInstance() {
// 直接返回instance对象
return instance;
}
}4.使用类的静态内部类：既保证线程安全，又保证懒汉模式，没有加锁影响性能（推荐）
代码语言：javascript复制public class SingletonInnerStatic {
private static class SingletonHoler {
// 静态初始化器，由JVM来保证线程安全
private static SingletonInnerStatic instance =
new SingletonInnerStatic();
}
// 私有构造函数
private SingletonInnerStatic() {
}
// 获取对象实例的方法
public static SingletonInnerStatic getInstance() {
return SingletonHoler.instance;
}
}5.双重锁校验：
代码语言：javascript复制public class SingletonDoubleCheck {
// 类引用
private static volatile SingletonDoubleCheck singletonDoubleCheck;
// 构造函数私有化
private SingletonDoubleCheck() {
}
// 双重校验 锁实现单例
public static SingletonDoubleCheck getInstance() {
// 第一次校验是否为null
if (singletonDoubleCheck == null) {
// 不为空则加锁
synchronized (SingletonDoubleCheck.class) {
// 第二次校验是否为null
if (singletonDoubleCheck == null) {
singletonDoubleCheck = new SingletonDoubleCheck();
}
}
}
return singletonDoubleCheck;
}
}第一次校验是否为null:
主要是为了实现返回单例，避免多余的加锁操作，以及锁的等待和竞争，如果条件不成立就说明已经生成实例，直接返回即可，提高程序执行的效率。
第二次校验是否为null:
第二次校验是关键，这里防止了多线程创建多个实例（一般为两个），这里的特殊情况是这样的：在未创建实例的情况下，A线程和B线程都通过了第一次校验（singletonDoubleCheck为空）,这时如果通过竞争B线程拿到了锁就会执行一次new操作，生成一个实例，然后B执行完了A就会拿到资源的锁，如果没有第二次判断的话，这时A线程也会执行一次new操作，这里就出现了第二个类实例，违背了单例原则。所以说两次校验都是必不可少的。
提一下上述代码中类引用中的
volatile关键字是不能少的： 常见的，该关键字能够实现变量在内存中的可见性（告诉JVM在使用该关键字修饰的变量时在内存中取值，而不是用特定内存区域的副本，因为真实的值可能已经被修改过了），它的另外一种作用是防止JVM对指令进行重排。 其实，在new一个对象的时候会有如下步骤（指令）： 1. 分配内存空间 2. 初始化引用 3. 将引用指向内存空间 正常的逻辑肯定以为是这样执行的 1 -> 2 -> 3，但是偏偏JVM拥有指令重排的能力，所以说执行顺序是随机的，可能是 1 -> 3 -> 2，这样的话在多线程环境下可能会拿到空引用：线程A先执行了1,3步骤，紧接着线程B执行getInstance，发现不为null（这里的==是判断实际的值，即引用指向的内存空间），就会返回引用，然而此时引用未初始化。所以说volatile在这里保证指令的执行顺序，在多线程情况下不可少。
6.AtomicReference是一个支持原子操作的对象引用变量，它可以利用CAS（比较并交换）技术来保证线程安全和高效性。一个基本的AtomicReference单例的代码示例如下：
代码语言：javascript复制import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class Singleton {
private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<>();
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
for (;;) {
Singleton singleton = INSTANCE.get();
if (singleton != null) {
return singleton;
}
singleton = new Singleton();
if (INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) {
return singleton;
}
}
}
}要使用这个单例，只需调用Singleton.getInstance()即可。
7.枚举类实现单例模式是一种简洁、安全、有效的方法，它可以防止反射和序列化攻击，保证线程安全和唯一性。一个基本的枚举单例的代码示例如下：
代码语言：javascript复制public enum Singleton {
INSTANCE;
public void doSomething() {
// ...
}
}要使用这个单例，只需调用Singleton.INSTANCE.doSomething()即可。
测试：
有以下几种方法可以测试单例的有效性，即是否能保证在多线程环境下，只有一个对象实例被创建和返回。：
- 使用反射机制，尝试创建多个单例对象，检查它们的内存地址是否相同。
- 使用序列化和反序列化机制，尝试创建多个单例对象，检查它们的内存地址是否相同。
- 使用多线程并发调用getInstance()方法，检查返回的对象是否都是同一个实例。
- 使用断言或者日志打印等方式，验证getInstance()方法返回的对象是否符合预期。
安全：
三种攻击方式：
- 反射攻击：利用jdk反射API，修改单例类构造函数的访问权限，然后调用构造函数；
- 序列化攻击：将单例对象实例以字节流的方式写入到文件中，然后再读取文件字节流，反序列化生成对象实例;
- 调用对象的克隆方法。
public class SingletonAtack {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//正常单例对象
Singleton single1 = Singleton.getInstance();
//1. 反射攻击
Class clazz = Singleton.class;
Constructor cons = clazz.getDeclaredConstructor(null);
cons.setAccessible(true);
Singleton single2 = (Singleton) cons.newInstance(null);
//2. 序列化攻击
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("a.txt");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(single1);
oos.flush();
oos.close();
FileInputStream fis = new FileInputStream("a.txt");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
Singleton single3 = (Singleton) ois.readObject();
//3. clone攻击
Singleton single4 = (Singleton) single1.clone();
}
}防止攻击代码示例：
- 防止反射攻击：在单例类的构造函数中添加判断逻辑，如果已经存在实例对象，就抛出异常。例如：
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {
// 防止反射攻击
if (instance != null) {
throw new RuntimeException("单例模式不允许多个实例");
}
}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized(Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}- 防止序列化攻击：在单例类中实现readResolve方法，返回已有的实例对象。例如：
public class Singleton implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1L;
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized(Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
// 防止序列化攻击
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return instance;
}
}- 防止克隆攻击：在单例类中重写clone方法，返回已有的实例对象。例如：
public class Singleton implements Cloneable{
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized(Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
// 防止克隆攻击
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException{
return instance;
}
}场景：
- 数据库连接池：为了避免频繁地创建和销毁数据库连接，可以使用单例模式来管理数据库连接池，保证只有一个连接池对象存在。
- 配置文件读取器：为了提高配置文件的读取效率，可以使用单例模式来缓存配置文件的内容，保证只有一个配置文件读取器对象存在。
- 日志记录器：为了统一管理日志的输出和格式，可以使用单例模式来创建日志记录器对象，保证只有一个日志记录器对象存在。
单例模式应用示例代码：
- 日志对象，可以使用java.util.logging.Logger类来创建和获取单例的日志对象。例如：
public class LogTest {
// 使用LogTest类的名称作为日志对象的标识符
private static final Logger logger = Logger.getLogger(LogTest.class.getName());
public static void main(String[] args) {
// 使用日志对象记录一条信息级别的消息
logger.info("This is a log message");
}
}- 驱动对象，可以使用java.sql.DriverManager类来注册和获取单例的驱动对象。例如：
public class DriverTest {
public static void main(String[] args) throws SQLException {
// 注册MySQL驱动
DriverManager.registerDriver(new com.mysql.jdbc.Driver());
// 获取MySQL驱动实例
Driver driver = DriverManager.getDriver("jdbc:mysql://localhost:3306/test");
// 使用驱动实例连接数据库
Connection conn = driver.connect("jdbc:mysql://localhost:3306/test", null);
}
}- 缓存对象，可以使用一个静态变量和一个私有构造器来实现单例的缓存对象。例如：
public class Cache {
// 创建并初始化一个缓存实例作为静态变量
private static final Cache INSTANCE = new Cache();
// 创建一个Map用于存储键值对数据
private Map<String, Object> data;
// 私有化构造器，防止外部创建新的缓存实例
private Cache() {
data = new HashMap<>();
}
// 提供一个公共方法用于获取缓存实例
public static Cache getInstance() {
return INSTANCE;
}
// 提供一个公共方法用于向缓存中添加数据
public void put(String key, Object value) {
data.put(key, value);
}
// 提供一个公共方法用于从缓存中获取数据
public Object get(String key) {
return data.get(key);
}
}- 线程池对象，可以使用java.util.concurrent.Executors类来创建和获取单例的线程池对象。例如：
public class ThreadPoolTest {
// 创建并初始化一个固定大小为10的线程池作为静态变量
private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 20; i ) {
// 向线程池提交20个任务，并由线程池分配给空闲线程执行
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() " is running");
}
});
}
// 关闭线程池，不再接受新任务，并等待已提交任务完成后退出
executor.shutdown();
}
}- Runtime对象，可以使用java.lang.Runtime类的getRuntime方法来获取单例的Runtime对象。例如：
public class RuntimeTest {
public static void main(String[] args) throws IOException{
// 获取单例的Runtime实例
Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
// 使用Runtime实例执行一个命令
Process process = runtime.exec("notepad.exe");
}
}- Desktop对象，可以使用java.awt.Desktop类的getDesktop方法来获取单例的Desktop对象。例如：
public class DesktopTest {
public static void main(String[] args) throws IOException{
// 获取单例的Desktop实例
Desktop desktop = Desktop.getDesktop();
// 使用Desktop实例打开一个文件
File file = new File("test.txt");
desktop.open(file);
}
}
