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:
代码语言：javascript复制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。
代码语言：javascript复制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：
代码语言：javascript复制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：
代码语言：javascript复制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：
代码语言：javascript复制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：
代码语言：javascript复制@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：
代码语言：javascript复制 /**
* 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：
代码语言：javascript复制 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。
代码语言：javascript复制@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：
代码语言：javascript复制/**
* 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:
代码语言：javascript复制@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
一个友好的单例模式
代码语言：javascript复制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();
}
}
