[Java知识库]Java23种设计模式--单例模式：饿汉式单例&懒汉式单例&注册式单例&ThreadLocal线程单例

1、定义

单例模式(Singleton Pattern)是指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并提供一个全局访问点。
隐藏其所有的构造方法。
属于创建型模式。

2、适用场景

确保任何情况下都绝对只有一个实例。

3、常见写法

第一种：饿汉式单例：在单例类首次加载时就创建实例

/**
 * @Package: com.hzg.study.design.pattern.singleton.hungry
 * @Description: 饿汉式单例
 * @Author: HuangZhiGao
 * @CreateDate: 2022-02-18 16:15
 */
public class HungrySingleton {

    private static final HungrySingleton INSTANCE = new HungrySingleton();


    /**
     * 私有化构造器
     */
    private HungrySingleton() {
    }

    /**
     * 全局访问点
     */
    public static HungrySingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

}

饿汉式单例静态代码块写法：

/**
 * @Package: com.hzg.study.design.pattern.singleton.hungry
 * @Description: 饿汉式单例(静态代码块初始化)
 * @Author: HuangZhiGao
 * @CreateDate: 2022-02-18 16:15
 */
public class HungryStaticSingleton {

    private static final HungryStaticSingleton INSTANCE;

    /**
     * 静态代码块
     */
    static {
        INSTANCE = new HungryStaticSingleton();
    }


    /**
     * 私有化构造器
     */
    private HungryStaticSingleton() {
    }

    /**
     * 全局访问点
     */
    public static HungryStaticSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

}

第二种：懒汉式单例：被外部类调用时才创建实例

/**
 * @Package: com.hzg.study.design.pattern.singleton.lazy
 * @Description: 懒汉式单例
 * @Author: HuangZhiGao
 * @CreateDate: 2022-02-18 16:24
 */
public class LazySingleton {

    private static LazySingleton INSTANCE = null;


    /**
     * 私有化构造器
     */
    private LazySingleton() {
    }

    /**
     * 全局访问点
     */
    public static LazySingleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new LazySingleton();
        }
        return INSTANCE;
    }

}

懒汉式单例静态匿名内部类写法(性能最优)：

/**
 * @Package: com.hzg.study.design.pattern.singleton.lazy
 * @Description: 懒汉式单例(匿名静态内部类)(性能最优)
 * @Author: HuangZhiGao
 * @CreateDate: 2022-02-18 18:00
 */
public class LazyInnerClazzSingleton implements Serializable {

    /**
     * 私有化构造器
     */
    private LazyInnerClazzSingleton() {
    }

    /**
     * 全局访问点
     */
    public static final LazyInnerClazzSingleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }

    private static class LazyHolder {
        private static final LazyInnerClazzSingleton INSTANCE = new LazyInnerClazzSingleton();
    }

}

第三种：注册式单例：将每一个实例都缓存到统一的容器中，使用唯一标识获取实例
注册式单例枚举写法：

/**
 * @Package: com.hzg.study.design.pattern.singleton.registry
 * @Description: 注册式单例-枚举单例
 * @Author: HuangZhiGao
 * @CreateDate: 2022-02-21 10:24
 */
public enum EnumSingleton {

    INSTANCE;

    /**
     * 如果需要让其他对象成为单例，只需要将data改为目标类对象即可
     * <p/>
     * 通过getter和setter操作
     */
    private Object data;

    public Object getData() {
        return data;
    }

    public void setData(Object data) {
        this.data = data;
    }

    public static EnumSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

}

Spring中常见的注册式单例写法：

/**
 * @Package: com.hzg.study.design.pattern.singleton.registry
 * @Description: Spring中常见的注册式单例写法
 * @Author: HuangZhiGao
 * @CreateDate: 2022-02-21 10:54
 */
public class ContainerSingleton {

    /**
     * spring ioc
     */
    private static Map<String, Object> container = new ConcurrentHashMap<>();

    private ContainerSingleton() {
    }


    public static Object getBean(String clazzName) {
        // 加synchronized代码块保证线程安全
        synchronized (container) {
            if (!container.containsKey(clazzName)) {
                Object object = null;
                try {
                    object = Class.forName(clazzName).newInstance();
                    container.put(clazzName, object);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return object;
            }
            return container.get(clazzName);
        }
    }

}

第四种：ThreadLocal线程单例：保证线程内部的全局唯一，且天生线程安全

/**
 * @Package: com.hzg.study.design.pattern.singleton.threadlocal
 * @Description: ThreadLocal线程单例(伪安全)
 * @Description: 可以使用ThreadLocal动态切换数据源
 * @Author: HuangZhiGao
 * @CreateDate: 2022-02-21 11:10
 */
public class ThreadLocalSingleton {

    public static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>() {
        @Override
        protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
            return new ThreadLocalSingleton();
        }
    };


    private ThreadLocalSingleton() {
    }

    public static ThreadLocalSingleton getInstance() {
        return THREAD_LOCAL.get();
    }

}

4、如何防止单例被破坏

1.多线程破坏单例以及解决方法

以懒汉式单例LazySingleton为例：
首先写一个线程实现类，如下：

import com.hzg.study.design.pattern.singleton.lazy.LazySingleton;

/**
 * @Package: com.hzg.study.design.pattern.singleton.lazy.test
 * @Description:
 * @Author: HuangZhiGao
 * @CreateDate: 2022-02-18 16:32
 */
public class ExecutorThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        LazySingleton instance = LazySingleton.getInstance();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + instance);
    }
}

main方法测试：

public class LazySingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new ExecutorThread());
        thread1.start();
        Thread thread2 = new Thread(new ExecutorThread());
        thread2.start();
        System.out.println("----------------------------------------");
    }
}

测试结果：显然出现了两个不同的实例

解决方法1：加synchronized关键字修饰getInstance方法

public class LazySingleton {

    private static LazySingleton INSTANCE = null;


    /**
     * 私有化构造器
     */
    private LazySingleton() {
    }

    /**
     * 全局访问点
     * <p/>
     * synchronized关键字修饰方法
     */
    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new LazySingleton();
        }
        return INSTANCE;
    }

}

解决方法2：双重检查锁DoubleCheck

/**
 * @Package: com.hzg.study.design.pattern.singleton.lazy
 * @Description: 懒汉式单例(双重检查锁)
 * @Author: HuangZhiGao
 * @CreateDate: 2022-02-18 17:08
 */
public class LazyDoubleCheckSingleton {

    /**
     * volatile关键字修饰，避免指令重排序引发问题
     */
    private volatile static LazyDoubleCheckSingleton INSTANCE = null;


    /**
     * 私有化构造器
     */
    private LazyDoubleCheckSingleton() {
    }

    /**
     * 全局访问点
     * <p/>
     * 双重检查锁
     */
    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new LazyDoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }

}

2.反射破坏单例以及解决方法

以懒汉式单例静态匿名内部类写法LazyInnerClazzSingleton为例：
main方法测试：

public class LazyInnerClazzSingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Class<LazyInnerClazzSingleton> aClazz = LazyInnerClazzSingleton.class;
            Constructor<LazyInnerClazzSingleton> declaredConstructor = aClazz.getDeclaredConstructor(null);
            declaredConstructor.setAccessible(true);
            LazyInnerClazzSingleton instance1 = declaredConstructor.newInstance();
            LazyInnerClazzSingleton instance2 = LazyInnerClazzSingleton.getInstance();
            System.out.println(instance1);
            System.out.println(instance2);
            System.out.println(instance1 == instance2);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

测试结果：构建了两个不同的实例

解决方法：在构造器中增加如下if判断

public class LazyInnerClazzSingleton implements Serializable {

    /**
     * 私有化构造器
     */
    private LazyInnerClazzSingleton() {
        if (null != LazyHolder.INSTANCE) {
            throw new RuntimeException("不允许构建多个实例");
        }
    }

    /**
     * 全局访问点
     */
    public static final LazyInnerClazzSingleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }

    private static class LazyHolder {
        private static final LazyInnerClazzSingleton INSTANCE = new LazyInnerClazzSingleton();
    }

}

再次测试：

3.序列化破坏单例以及解决方法

以懒汉式单例静态匿名内部类写法LazyInnerClazzSingleton为例：注意必须先实现序列化接口Serializable
main方法测试：

    public static void main(String[] args) {
        LazyInnerClazzSingleton instance1 = LazyInnerClazzSingleton.getInstance();
        LazyInnerClazzSingleton instance2 = null;

        try (
                FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("LazyInnerClazzSingleton.obj");
                ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(fileOutputStream);
                FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("LazyInnerClazzSingleton.obj");
                ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(fileInputStream);
        ) {
            // 序列化
            objectOutputStream.writeObject(instance1);
            objectOutputStream.flush();

            // 反序列化
            instance2 = (LazyInnerClazzSingleton) objectInputStream.readObject();
            System.out.println(instance1);
            System.out.println(instance2);
            System.out.println(instance1 == instance2);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

测试结果：构建了两个不同的实例

解决方法：新增readResolve方法

public class LazyInnerClazzSingleton implements Serializable {

    /**
     * 私有化构造器
     */
    private LazyInnerClazzSingleton() {
        if (null != LazyHolder.INSTANCE) {
            throw new RuntimeException("不允许构建多个实例");
        }
    }

    /**
     * 全局访问点
     */
    public static final LazyInnerClazzSingleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }

    private static class LazyHolder {
        private static final LazyInnerClazzSingleton INSTANCE = new LazyInnerClazzSingleton();
    }

    /**
     * 重写readResolve方法，实际还是创建了两次，只不过是覆盖了反序列化出来的对象，之前反序列化出来的对象会被GC回收
     * 发生在JVM层面，相对来说比较安全
     */
    private Object readResolve() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }

}

5、优缺点

优点：

在内存中只有一个实例，减少了内存开销。
可以避免对资源的多重占用。
设置全局访问点，严格控制访问。

缺点：

没有接口，扩展困难。
如果要扩展单例对象，只有修改代码，没有其他途径。
不符合开闭原则

6、总结

1、私有化构造器
2、保证线程安全
3、延迟加载
4、防止序列化和反序列化破坏单例
5、防御反射攻击单例