Java單例模式與破壞單例模式概念原理深入講解
什么是單例模式
經(jīng)典設計模式又分23種，也就是GoF 23 總體分為三大類：
- 創(chuàng)建型模式
- 結構性模式
- 行為型模式
Java中單例模式是一種常見的設計模式，單例模式的寫法有好幾種，這里主要介紹三種：懶漢式單例、餓漢式單例、登記式單例。
單例模式有以下特點：
- 單例類只能有一個實例。
- 單例類必須自己創(chuàng)建自己的唯一實例。
- 單例類必須給所有其他對象提供這一實例。
單例模式確保某個類只有一個實例，而且自行實例化并向整個系統(tǒng)提供這個實例。在計算機系統(tǒng)中，線程池、緩存、日志對象、對話框、打印機、顯卡的驅(qū)動程序?qū)ο蟪１辉O計成單例。這些應用都或多或少具有資源管理器的功能。每臺計算機可以有若干個打印機，但只能有一個Printer Spooler，以避免兩個打印作業(yè)同時輸出到打印機中。每臺計算機可以有若干通信端口，系統(tǒng)應當集中管理這些通信端口，以避免一個通信端口同時被兩個請求同時調(diào)用?？傊?，選擇單例模式就是為了避免不一致狀態(tài)。
餓漢式(預加載)
餓漢式單例: 在類加載時，就會創(chuàng)建好將會使用的對象，可能會造成內(nèi)存的浪費
示例：
public class Hungry {
// 創(chuàng)建唯一實例
private final static Hungry HUNGRY = new Hungry();
private Hungry(){}
// 全局訪問點 ---> 拿到HUNGRY實例
public static Hungry getIntance(){
return HUNGRY;
}
}
而預加載就是先一步加載，我們沒有使用該單例對象但是已經(jīng)將其加載到內(nèi)存中，那么就會造成內(nèi)存的浪費
懶漢式(懶加載)
懶漢式改善了餓漢式浪費內(nèi)存的問題，等到需要用到實例的時候再去加載到內(nèi)存中
懶漢式寫法( 線程不安全 )：
public class LazyMan {
private LazyMan(){}
public static LazyMan lazyMan;
public static LazyMan getInstance(){
if (lazyMan==null){
lazyMan = new LazyMan();
}
return lazyMan;
}
}
但是在不進行任何同步干預的情況下，懶漢式不是線程安全的單例模式，經(jīng)典的解決方案就是利用雙重檢驗鎖保證程序的原子性和有序性，如下示例：
public class LazyMan {
private LazyMan(){}
// 懶漢當中的雙重檢驗鎖 --> 可以保證線程安全
public volatile static LazyMan lazyMan;
// volatile 保證了new實例時不會發(fā)生指令重排
public static LazyMan getInstance(){
if (lazyMan==null){
synchronized (LazyMan.class){
// 此處上鎖 以保證原子操作
if (lazyMan == null){
lazyMan = new LazyMan();
}
}
}
return lazyMan;
}
}
反射破壞單例模式
反射是一種動態(tài)獲取類資源的一種途徑，我們讓然可以通過反射來獲取單例模式中的更多實例：
public class LazyMan {
// 空參構造器
private LazyMan(){}
// 懶漢當中的雙重檢驗鎖 --> 可以保證線程安全
public volatile static LazyMan lazyMan;
// volatile 保證了new實例時不會發(fā)生指令重排
public static LazyMan getInstance(){
if (lazyMan==null){
synchronized (LazyMan.class){
// 此處上鎖 以保證原子操作
if (lazyMan == null){
lazyMan = new LazyMan();// 不是原子操作
}
}
}
return lazyMan;
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
// 獲取無參構造器
Constructor<LazyMan> constructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
constructor.setAccessible(true);// 無視私有
// 獲取實例
LazyMan instance2 = constructor.newInstance();
LazyMan instance3 = constructor.newInstance();
LazyMan instance4 = constructor.newInstance();
// 懶漢式單例 獲取唯一實例
LazyMan instance = LazyMan.getInstance();
System.out.println("getIntance獲取實例(1)hashCode："+instance.hashCode());
System.out.println("反射構造器newIntance獲取實例(2)hashCode："+instance2.hashCode());
System.out.println("反射構造器newIntance獲取實例(3)hashCode："+instance3.hashCode());
System.out.println("反射構造器newIntance獲取實例(4)hashCode："+instance4.hashCode());
}
}
上述程序輸出結果如下：
/*
getIntance獲取實例(1)hashCode：895328852
反射構造器newIntance獲取實例(2)hashCode：1304836502
反射構造器newIntance獲取實例(3)hashCode：225534817
反射構造器newIntance獲取實例(4)hashCode：1878246837
*/
修復方式1：
// 對空參構造器進行上鎖 并對唯一實例lazyman判斷是否已經(jīng)初始化
private LazyMan(){
if (lazyMan != null){
throw new RuntimeException("不要試圖破壞單例模式");
}
}
但是這種修復方式仍然會被破壞，我們首先是利用了反射來獲取LazyMan的空參構造器，并利用其構造器進行初始化獲取實例，但是如果我們一直不調(diào)用getIntance方法來初始化lazyman實例而一直用反射獲取，那么這種方式就形同虛設
因此，得出下一個修復方式。我們依然對空參構造器進行上鎖，然后利用標志位保證我們的空參構造器只能使用一次，也就是最多只能為一個實例進行初始化。
修復方式2：
// 解決2. 對空參構造器進行上鎖 利用標志位保證空參構造器只能初始化一次實例 但是標志位字段仍可以通過其他途徑被拿到 并且修改
private static boolean flag = false;
private LazyMan(){
synchronized(LazyMan.class){
if (flag == false){
flag = true;
}else {
throw new RuntimeException("不要試圖破壞單例模式");
}
}
}
上述代碼所示，利用flag作為標志位來保證空參構造器只能對最多一個實例執(zhí)行初始化操作。但是，同時我們所設置的標志位flag同樣存在被通過各種渠道拿到的風險，比如反編譯。拿到flag標志后就可以對其修改，示例：
public static void main(String[] args) throws Exception{
// 獲取無參構造器
Constructor<LazyMan> constructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
constructor.setAccessible(true);// 無視私有
// 懶漢式單例 獲取唯一實例
LazyMan instance = LazyMan.getInstance(); // (1)
// 獲取標志位字段并進行修改
Field flag1 = LazyMan.class.getDeclaredField("flag");
// (1) 處已經(jīng)調(diào)用了空參構造器 flag變?yōu)閠rue 此處修改為false 可以繼續(xù)創(chuàng)建實例
flag1.set(instance,false);
LazyMan instance2 = constructor.newInstance();
// 與上述同理
flag1.set(instance2,false);
LazyMan instance3 = constructor.newInstance();
System.out.println("getIntance獲取實例(1)hashCode："+instance.hashCode());
System.out.println("反射構造器newIntance獲取實例(2)hashCode："+instance2.hashCode());
System.out.println("反射構造器newIntance獲取實例(3)hashCode："+instance3.hashCode());
}
那么既然如此，是不是單例程序無論如何設計最終都會被反射破壞呢？
事實并非如此，我們打開反射得到的構造器.newInstance方法源碼查看：
// 我們只看如下兩行
if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
如上述代碼所示，Java給出的解釋為：
如果實際參數(shù)和形式參數(shù)的數(shù)量不同；如果原始參數(shù)的展開轉(zhuǎn)換失敗；或者如果在可能展開之后，參數(shù)值不能通過方法調(diào)用轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為相應的形式參數(shù)類型；如果此構造函數(shù)屬于枚舉類型。符合上述任一情況將會拋出IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects")非法參數(shù)異常
也就是說，枚舉類型是可以避免單例模式被破壞的
public enum enumSingle {
INSTANCE;
public enumSingle getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
class TestEnumSingle{
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 下面我們嘗試用反射來破壞枚舉類
// 枚舉類的構造器實際上帶有兩個參數(shù) String和int
Constructor<enumSingle> declaredConstructor = enumSingle.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
declaredConstructor.setAccessible(true);
// 直接獲取實例
enumSingle instance = enumSingle.INSTANCE;
// 反射獲取實例
enumSingle enumSingle1 = declaredConstructor.newInstance();
System.out.println("類名直接訪問獲取實例hashCode："+instance.hashCode());
System.out.println("反射實例hashCode："+enumSingle1.hashCode());
}
}
// 最終拋出 java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
除了反射會打破單例之外，序列化Serializable也同樣會破壞單例模式，具體體現(xiàn)是物品們同一對象在序列化前和反序列化之后不是同一對象
到此這篇關于Java單例模式與破壞單例模式概念原理深入講解的文章就介紹到這了,更多相關Java單例模式內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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