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【创建模式-单例模式(Singleton Pattern)】

赐萧瑀

  • 实现方案
    • 饿汉模式
    • 懒汉式(非线程安全)
    • 懒汉模式(线程安全)
    • 双重检查锁定
    • 静态内部类
  • 攻击方式
    • 序列化攻击
    • 反射攻击
  • 枚举(最佳实践)
    • 枚举是一种类

唐 李世民
疾风知劲草,板荡识诚臣。
勇夫安识义,智者必怀仁。

实现单例模式的主要方式有:饿汉模式、懒汉模式(非线程安全)、懒汉模式(线程安全)、双重检查锁定、静态内部类和枚举方式。攻击方式有克隆攻击、序列化攻击和反射攻击。

实现方案

序号实现方式描述优点缺点
1饿汉式在类加载时就创建实例实现简单,线程安全如果实例未被使用,会造成资源浪费
2懒汉式(非线程安全)在第一次调用时创建实例延迟加载,节省资源非线程安全,多线程环境下可能创建多个实例
3懒汉式(线程安全)在第一次调用时创建实例,并使用同步方法确保线程安全延迟加载,线程安全每次调用 getInstance 都需要同步,性能较差
4双重检查锁定在第一次调用时创建实例,并使用双重检查锁定机制确保线程安全延迟加载,线程安全,且只在第一次创建实例时同步,性能较好实现较复杂,需要注意 volatile 关键字的使用
5静态内部类利用静态内部类的特性,在第一次调用时创建实例延迟加载,线程安全,实现简单无法传递参数给单例实例
6枚举使用枚举类型实现单例实现简单,线程安全,且能防止反射和序列化破坏单例不能延迟加载,且不够灵活

饿汉模式

package com.cld.designpattern.creation.singleton.hungry;import java.io.Serializable;/*** 饿汉式* 是否 Lazy 初始化:否* <p>* 是否多线程安全:是* <p>* 实现难度:易* <p>* 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。* 它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题,不过,instance 在类装载时就实例化,虽然导致类装载的原因有很多种,在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法, 但是也不能确定有其他的方式(或者其他的静态方法)导致类装载,这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。** @author 休克柏*/
public class HungrySingleton implements Serializable,Cloneable {private static final HungrySingleton INSTANCE = new HungrySingleton();private HungrySingleton() {if (INSTANCE != null) {throw new RuntimeException("单例构造器禁止反射调用!");}}public static HungrySingleton getInstance() {return INSTANCE;}@Overridepublic HungrySingleton clone() {//避免克隆攻击return getInstance();}
}

懒汉式(非线程安全)

import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;/*** (线程不安全)懒汉式* 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。** @author 休克柏*/
public class Lazy1Singleton implements Serializable {private static Lazy1Singleton instance;private Lazy1Singleton() {}/*** 线程不安全** @return Lazy1Singleton*/public static Lazy1Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Lazy1Singleton();}return instance;}/*** 反序列化的时候,会调用该方法,从而避免反序列化对单例的破坏* @return Lazy1Singleton* @throws ObjectStreamException*/private Object readResolve() throws ObjectStreamException {return getInstance();}
}

懒汉模式(线程安全)

package org.cqcs.knowledge.designpattern.creation.singleton.lazy;import java.io.Serializable;/*** (线程安全)懒汉式* 是否 Lazy 初始化:是* <p>* 是否多线程安全:是* <p>* 实现难度:易* <p>* 描述:这种方式具备很好的 lazy loading,能够在多线程中很好的工作,但是,效率很低,99% 情况下不需要同步。* 优点:第一次调用才初始化,避免内存浪费。* 缺点:必须加锁 synchronized 才能保证单例,但加锁会影响效率。* getInstance() 的性能对应用程序不是很关键(该方法使用不太频繁)。** @author 休克柏*/
public class Lazy2Singleton implements Serializable {private static Lazy2Singleton instance;private Lazy2Singleton() {}/*** 线程安全,但是synchronized锁比较重** @return Lazy2Singleton*/public static synchronized Lazy2Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Lazy2Singleton();}return instance;}
}

双重检查锁定

/*** JDK 版本:JDK1.5 起* * 是否 Lazy 初始化:是* * 是否多线程安全:是* * 实现难度:较复杂* * 描述:这种方式采用双锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能。* getInstance() 的性能对应用程序很关键。* * Lazy2Singleton相对于Lazy1Singleton的效率问题,其实是为了解决1%几率的问题,* 而使用了一个100%出现的防护盾。* 那有一个优化的思路,就是把100%出现的防护盾,也改为1%的几率出现,使之只出现在可能会导致多个实例出现的地方。** @author 休克柏*/
public class DclSingleton implements Serializable {/*** volatile 的作用是对dclSingleton的写操作有一个内存屏障,这样,在它的赋值完成之前,就不用会调用读操作。* * volatile关键字通过提供“内存屏障”的方式来防止指令被重排序,为了实现volatile的内存语义,* 编译器在生成字节码时,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。* * 在java内存模型中,volatile 关键字作用可以是保证可见性或者禁止指令重排。* 这里是因为 dclSingleton = new DclSingleton() ,它并非是一个原子操作,事实上:* 在 JVM 中上述语句至少做了以下这 3 件事:* * 第一步是给 dclSingleton 分配内存空间;* * 第二步开始调用 DclSingleton 的构造函数等,来初始化 dclSingleton;* * 第三步,将 dclSingleton 对象指向分配的内存空间(执行完这步 dclSingleton 就不是 null 了)。* * 这里需要留意一下 1-2-3 的顺序,因为存在指令重排序的优化,也就是说第 2 步和第 3 步的顺序是* 不能保证的,最终的执行顺序,可能是 1-2-3,也有可能是 1-3-2。* 如果是 1-3-2,那么在第 3 步执行完以后,dclSingleton 就不是 null 了,可是这时第 2 步并没* 有执行,singleton 对象未完成初始化,它的属性的值可能不是我们所预期的值。* 假设此时线程 2 进入 getInstance 方法,由于 dclSingleton 已经不是 null 了,* * 所以会通过第一重检查并直接返回,但其实这时的 singleton 并没有完成初始化,所以使用这个实例的时候会报错。*/private volatile static DclSingleton dclSingleton;private DclSingleton() {}public static DclSingleton getDlcSingleton() {if (dclSingleton == null) {synchronized (DclSingleton.class) {if (dclSingleton == null) {//1. 给 dclSingleton 分配内存//2. 调用 dclSingleton 的构造函数来初始化成员变量,形成实例//3. 将dclSingleton对象指向分配的内存空间(执行完这步 singleton才是非 null了)//上述3步是dclSingleton = new DclSingleton()的指令执行顺序,dclSingleton = new DclSingleton();}}}return dclSingleton;}/*** 反序列化的时候,会调用该方法,从而避免反序列化对单例的破坏* @return Lazy1Singleton* @throws ObjectStreamException*/private Object readResolve() throws ObjectStreamException {return getDlcSingleton();}
}

静态内部类

package org.cqcs.knowledge.designpattern.creation.singleton.staticinnerclass;/***静态内部类的实现方式利用了 类加载机制 和 静态内部类的特性 来保证单例的线程安全和延迟加载。** 延迟加载:* 静态内部类不会在外部类加载时立即加载,而是在第一次调用 getInstance() 方法时才会加载内部类并创建实例。这种方式实现了延迟加载,避免了资源浪费。** 线程安全:* JVM 在加载类时是线程安全的,静态内部类在加载时会由 JVM 保证线程安全,因此不需要额外的同步机制。** 静态内部类的特性:* 静态内部类是独立于外部类的,只有在被引用时才会加载。* 静态内部类的静态成员变量(单例实例)在类加载时初始化,且只会初始化一次。* @author 休克柏*/
public class StaticInnerClass {private StaticInnerClass() {}private static class SingletonHolder {private static final StaticInnerClass INSTANCE = new StaticInnerClass();}public static StaticInnerClass getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

攻击方式

序列化攻击

反射攻击

枚举(最佳实践)

There are three kinds of reference types: class types, array types, and interface types. 
Their values are references to dynamically created class instances, arrays, 
or class instances or arrays that implement interfaces, respectively.

一共有三种引用类型:class types, array types, and interface types. 其值指向动态创建的类实例,数组或者分别实现了接口的类实例或者数组。
从中我们可以得知enum不是一种专门的引用数据类型,它是类。

枚举是一种类

Day.java

public enum Day {MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY, THURSDAY, FRIDAY, SATURDAY, SUNDAY;
}
  • 编译Day.java生成Day.class
javac Day.java
  • 反编译Day.class
javap -c Day.class
Compiled from "Day.java"
public final class demo.Day extends java.lang.Enum<demo.Day> {public static final demo.Day MONDAY;public static final demo.Day TUESDAY;public static final demo.Day WEDNESDAY;public static final demo.Day THURSDAY;public static final demo.Day FRIDAY;public static final demo.Day SATURDAY;public static final demo.Day SUNDAY;public static demo.Day[] values();Code:0: getstatic     #1                  // Field $VALUES:[Ldemo/Day;3: invokevirtual #2                  // Method "[Ldemo/Day;".clone:()Ljava/lang/Object;6: checkcast     #3                  // class "[Ldemo/Day;"9: areturn………………

从输出我们可以发现定义语句public final class demo.Day extends java.lang.Enum<demo.Day>知道我们的Day.java就是一个类,该类继承了java.lang.Enum.

/*** This is the common base class of all Java language enumeration types.** More information about enums, including descriptions of the* implicitly declared methods synthesized by the compiler, can be* found in section 8.9 of* <cite>The Java&trade; Language Specification</cite>.** <p> Note that when using an enumeration type as the type of a set* or as the type of the keys in a map, specialized and efficient* {@linkplain java.util.EnumSet set} and {@linkplain* java.util.EnumMap map} implementations are available.** @param <E> The enum type subclass* @author  Josh Bloch* @author  Neal Gafter* @see     Class#getEnumConstants()* @see     java.util.EnumSet* @see     java.util.EnumMap* @since   1.5*/
@SuppressWarnings("serial") // No serialVersionUID needed due to// special-casing of enum types.
public abstract class Enum<E extends Enum<E>>implements Comparable<E>, Serializable {

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