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单例模式（Singleton Pattern）

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。
单例模式的主要有以下角色：
  • 单例类。只能创建一个实例的类
  • 访问类。使用单例类
 

单例模式类型

饿汉式(静态变量)

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并创建Singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。
public class Singleton {
	
	//1. 构造器私有化, 外部能new
	private Singleton() {
		
	}
	//2.本类内部创建对象实例
	private static Singleton instance = new Singleton();
	
	//3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
	public static Singleton getInstance() {
		return instance;
	}
	
}
class SingletonTest01 {

	public static void main(String[] args) {
		//测试
		Singleton instance = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		System.out.println(instance == instance2); 
		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
		//true
		//instance.hashCode=325040804
		//instance2.hashCode=325040804
	}
}

饿汉式(静态代码块)

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，而对象的创建是在静态代码块中，也是对着类的加载而创建。所以和饿汉式的方式1基本上一样，当然该方式也存在内存浪费问题。
public class Singleton {
	
	//1. 构造器私有化, 外部能new
	private Singleton() {
		
	}
	
	//2.本类内部创建对象实例
	private  static Singleton instance;
	
	static { 
	// 在静态代码块中，创建单例对象
		instance = new Singleton();
	}
	
	//3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
	public static Singleton getInstance() {
		return instance;
	}
	
}
class SingletonTest02 {

	public static void main(String[] args) {
		//测试
		Singleton instance = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		System.out.println(instance == instance2); // true
		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
	}
}
 

懒汉式(线程不安全)

起到了 Lazy Loading 的效 果，但是只能在单线程下使用 。 如果在多线程下，一个线程进入了 if (singleton == null) 判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。
public class Singleton {
	private static Singleton instance;
	
	private Singleton() {}
	
	//提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建 instance
	//即懒汉式
	public static Singleton getInstance() {
		if(instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

class SingletonTest03 {

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("懒汉式1 ， 线程不安全~");
		Singleton instance = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		System.out.println(instance == instance2); // true
		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
	}
//			懒汉式1 ， 线程不安全~
//				true
//		instance.hashCode=325040804
//		instance2.hashCode=325040804
}

懒汉式(线程安全，同步方法)

解决了线程不安全问题 效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行 getInstance() 方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接 return 就行了。方法进行同步效率太低


// 懒汉式(线程安全，同步方法)
public class Singleton {
	private static Singleton instance;
	
	private Singleton() {}
	
	//提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
	//即懒汉式
	public static synchronized Singleton getInstance() {
		if(instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

class SingletonTest04 {

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("懒汉式2 ， 线程安全~");
		Singleton instance = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		System.out.println(instance == instance2); // true
		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
	}

}
 

双重检查锁

上面例子对于 getInstance() 方法来说，绝大部分的操作都是读操作，读操作是线程安全的，所以我们没必让每个线程必须持有锁才能调用该方法，我们需要调整加锁的时机。由此也产生了一种新的实现模式：双重检查锁模式
在多线程的情况下，可能会出现空指针问题，出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。
要解决双重检查锁模式带来空指针异常的问题，只需要使用 volatile 关键字, volatile 关键字可以保证可见性和有序性。
使用volatile 的原因
public class SingletonTest06 {

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("双重检查");
		Singleton instance = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		System.out.println(instance == instance2); // true
		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
		
	}

}

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {
	//保证可见性
	private static volatile Singleton instance;
	
	private Singleton() {}
	
	//提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
	//同时保证了效率, 推荐使用
	
	public static Singleton getInstance() {
		if(instance == null) {
			synchronized (Singleton.class) {
				if(instance == null) {
					instance = new Singleton();
				}
			}
			
		}
		return instance;
	}
}

静态内部类

静态内部类单例模式中实例由内部类创建，由于 JVM 在加载外部类的过程中, 是不会加载静态内部类的, 只有内部类的属性/方法被调用时才会被加载, 并初始化其静态属性。静态属性由于被 static 修饰，保证只被实例化一次，并且严格保证实例化顺序
/**
 * 静态内部类方式
 */
public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}
第一次加载Singleton类时不会去初始化INSTANCE，只有第一次调用getInstance，虚拟机加载SingletonHolder并初始化INSTANCE，这样不仅能确保线程安全，也能保证 Singleton 类的唯一性。
静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式，是开源项目中比较常用的一种单例模式。在没有加任何锁的情况下，保证了多线程下的安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。

枚举(饿汉式)

枚举类实现单例模式是极力推荐的单例实现模式，因为枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次，设计者充分的利用了枚举的这个特性来实现单例模式，枚举的写法非常简单，而且枚举类型是所用单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式。枚举方式属于饿汉式。
/**
 * 枚举方式
 */
public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

破坏单例

序列化和反射 可以使上面定义的单例类（Singleton）可以创建多个对象，枚举方式除外。

序列化反序列化破坏单例

public class Singleton implements Serializable {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}
测试
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //往文件中写对象
        //writeObject2File();
        //从文件中读取对象
        Singleton s1 = readObjectFromFile();
        Singleton s2 = readObjectFromFile();

        //判断两个反序列化后的对象是否是同一个对象
        System.out.println(s1 == s2);
    }

    private static Singleton readObjectFromFile() throws Exception {
        //创建对象输入流对象
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\a.txt"));
        //第一个读取Singleton对象
        Singleton instance = (Singleton) ois.readObject();

        return instance;
    }

    public static void writeObject2File() throws Exception {
        //获取Singleton类的对象
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        //创建对象输出流
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\a.txt"));
        //将instance对象写出到文件中
        oos.writeObject(instance);
    }
}
上面代码运行结果是false，表明序列化和反序列化已经破坏了单例设计模式。
 
 

反射破坏单例

public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}
    
    private static volatile Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {

        if(instance != null) {
            return instance;
        }

        synchronized (Singleton.class) {
            if(instance != null) {
                return instance;
            }
            instance = new Singleton();
            return instance;
        }
    }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //获取Singleton类的字节码对象
        Class clazz = Singleton.class;
        //获取Singleton类的私有无参构造方法对象
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
        //取消访问检查
        constructor.setAccessible(true);

        //创建Singleton类的对象s1
        Singleton s1 = (Singleton) constructor.newInstance();
        //创建Singleton类的对象s2
        Singleton s2 = (Singleton) constructor.newInstance();

        //判断通过反射创建的两个Singleton对象是否是同一个对象
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}
上面代码运行结果是false，表明序列化和反序列化已经破坏了单例设计模式

解决破坏单例的方法

序列化、反序列方式破坏单例模式的解决方法

在Singleton类中添加readResolve()方法，在反序列化时被反射调用，如果定义了这个方法，就返回这个方法的值，如果没有定义，则返回新new出来的对象。
Singleton类：
public class Singleton implements Serializable {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
    
    /**
     * 下面是为了解决序列化反序列化破解单例模式
     */
    private Object readResolve() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}
ObjectInputStream类源码 
public final Object readObject() throws IOException, ClassNotFoundException{
    ...
    // if nested read, passHandle contains handle of enclosing object
    int outerHandle = passHandle;
    try {
        Object obj = readObject0(false);//重点查看readObject0方法
    .....
}
    
private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
	...
    try {
		switch (tc) {
			...
			case TC_OBJECT:
				return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));//重点查看readOrdinaryObject方法
			...
        }
    } finally {
        depth--;
        bin.setBlockDataMode(oldMode);
    }    
}
    
private Object readOrdinaryObject(boolean unshared) throws IOException {
	...
	//isInstantiable 返回true，执行 desc.newInstance()，通过反射创建新的单例类，
    obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null; 
    ...
    // 在Singleton类中添加 readResolve 方法后 desc.hasReadResolveMethod() 方法执行结果为true
    if (obj != null && handles.lookupException(passHandle) == null && desc.hasReadResolveMethod()) {
    	// 通过反射调用 Singleton 类中的 readResolve 方法，将返回值赋值给rep变量
    	// 这样多次调用ObjectInputStream类中的readObject方法，继而就会调用我们定义的readResolve方法，所以返回的是同一个对象。
    	Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
     	...
    }
    return obj;
}

反射破坏单例的解决办法

当第二次通过反射方式调用构造方法进行创建时，直接抛异常。不运行此中操作。
public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {
        /*
           反射破解单例模式需要添加的代码
        */
        if(instance != null) {
            throw new RuntimeException("不能创建多个对象!");
        }
    }
    
    private static volatile Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {

        if(instance != null) {
            return instance;
        }

        synchronized (Singleton.class) {
            if(instance != null) {
                return instance;
            }
            instance = new Singleton();
            return instance;
        }
    }
}
notion image

JDK源码中的单例

Runtime类

Runtime类就是使用的单例设计模式。
  1. 通过源代码查看使用的是哪儿种单例模式
public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}
    ...
}
从上面源代码中可以看出Runtime类使用的是饿汉式（静态属性）方式来实现单例模式的。
使用Runtime类中的方法

public class RuntimeDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //获取Runtime类对象
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        //返回 Java 虚拟机中的内存总量。
        System.out.println(runtime.totalMemory());
        //返回 Java 虚拟机试图使用的最大内存量。
        System.out.println(runtime.maxMemory());
        //创建一个新的进程执行指定的字符串命令，返回进程对象
        Process process = runtime.exec("ipconfig");
        //获取命令执行后的结果，通过输入流获取
        InputStream inputStream = process.getInputStream();
        byte[] arr = new byte[1024 * 1024* 100];
        int b = inputStream.read(arr);
        System.out.println(new String(arr,0,b,"gbk"));
    }
}

单例应用

什么场景用到？
  1. 多线程中的线程池
  1. 数据库的连接池
  1. 系统环境信息
  1. 上下文（ServletContext）
面试问题
系统环境信息（System.getProperties()）？
Spring中怎么保持组件单例的？
ServletContext是什么（封装Servlet的信息）？是单例吗？怎么保证？
ApplicationContext是什么？是单例吗？怎么保证？
ApplicationContext：tomcat：一个应用（部署的一个war包）会有一个应用上下文
ApplicationContext：Spring：表示整个IOC容器（怎么保证单例的）。ioc容器中有很多组件（怎么保证单例）
数据库连接池一般怎么创建出来的，怎么保证单实例？
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