JUC单例模式：饿汉式、懒汉式、DCL懒汉式、静态内部类、枚举

文章目录

• 单例模式
• • 1、饿汉式
  • 2、懒汉式
  • 3、DCL懒汉式
  • • 通过反射破坏单实例
    • • 第1种
      • 第2种
  • 4、静态内部类
  • 5、枚举
  • • 尝试反射获取枚举实例
    • • 第一种尝试
      • 第二种尝试
  • 总结

单例模式

单例模式，即单个实例，只有一个实例

1、饿汉式

饿汉模式，可以想象一个很饿的人，需要立马吃东西，饿汉模式便是这样，在类加载时就创建对象，由于在类加载时就创建单例，因此不存在线程安全问题。反射可破坏。

public class HungryDemon {
    private static final HungryDemon hungry = new HungryDemon();

    private HungryDemon() {

    }

    public static HungryDemon getInstance(){
        return hungry;
    }

}
// 测试
class HungryTest{
    public static void main(String[] args) {
        HungryDemon instance1 = HungryDemon.getInstance();
        HungryDemon instance2 = HungryDemon.getInstance();
        System.out.println(instance1.equals(instance1));  // true，说明实例一样
    }
}

但饿汉式也存在一定的问题，即如果在该类里面存在大量开辟空间的语句，如很多数组或集合，但又不马上使用他们，这时这样的单例模式会消耗大量的内存，影响性能。

2、懒汉式

顾名思义，懒汉式，就是懒，即在类加载时并不会立马创建单例对象，而是只生成一个单例的引用，即可以延时加载。

单线程懒汉式：

public class LazyDemon {
    private static LazyDemon lazy;

    private LazyDemon() {}

    public static LazyDemon getInstance(){
        if(lazy == null){
            lazy = new LazyDemon();
        }
        return lazy;
    }
}
// 测试
class LazyTest{
    public static void main(String[] args) {
        LazyDemon instance1 = LazyDemon.getInstance();
        LazyDemon instance2 = LazyDemon.getInstance();
        System.out.println(instance1.equals(instance2)); // true
    }
}

该懒汉式，在单线程下是安全的，但是在多线程之下是不安全的。

比如：

public class LazyDemon {
    private static LazyDemon lazy;

    private LazyDemon() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" OK");
    }

    public static LazyDemon getInstance(){
        if(lazy == null){
            lazy = new LazyDemon();
        }
        return lazy;
    }
}
// 测试
class LazyTest{
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                LazyDemon.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}
/* 输出结果：
Thread-0 OK
Thread-2 OK
Thread-1 OK
// 可见，这次执行至少创建了3个实例，就不是单实例了

解决：可通过加Lock锁解决，也可以通过synchronized去解决，但是效率低。

// 在 LazyDemon 方法上加上了 synchronized 关键字
public static synchronized LazyDemon getInstance(){
    if(lazy == null){
        lazy = new LazyDemon();
    }
    return lazy;
}
/* 输出结果：
Thread-0 OK  永远只有一个单实例*/

// 在 LazyDemon 方法上加上了 Lock 锁
private static Lock lock = new ReentrantLock();
public static LazyDemon getInstance(){
    lock.lock();
    try{
        if(lazy == null){
            lazy = new LazyDemon();
        }
    }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }finally {
        lock.unlock();
        return lazy;
    }
}
/* 输出结果：
Thread-0 OK  永远只有一个单实例*/

多线程安全懒汉式

public class LazyDemon {
    private static LazyDemon lazy;

    private LazyDemon() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" OK");
    }

    public static synchronized LazyDemon getInstance(){
        if(lazy == null){
            lazy = new LazyDemon();
        }
        return lazy;
    }
}

class LazyTest{
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                LazyDemon.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}

3、DCL懒汉式

DCL懒汉(双重监测懒汉式)，同样是在类加载时只提供一个引用，不会直接创建单例对象，不需要对整个方法进行同步，缩小了锁的范围，只有第一次会进入创建对象的方法，提高了效率。

public class DCLLazyDemon {
    private static volatile DCLLazyDemon dclLazy; // 1

    private DCLLazyDemon(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " OK");
    };

    public static DCLLazyDemon getInstance(){
        if (dclLazy == null){
            synchronized (DCLLazyDemon.class){
                if(dclLazy==null){
                    dclLazy = new DCLLazyDemon();
                }
            }
        }
        return dclLazy;
    }
}
// 测试
class DCLLazyTest{
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                DCLLazyDemon.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}

1号代码为什么要加volatile关键字？

在极端情况时，会出现问题。可能会出现重排问题。在new一个实例时，不是原子性操作，创建实例分为

1.分配内存空间
2.执行构造方法
3.将空间地址复制给变量
以上3步执行完成之后，才创建完整的一个实例。

可能当底层重排的时候，执行顺序为132。以这个顺序执行到3，但还没来得及执行2还没来得及将对象初始化，这时又来了一个线程在执行这个方法，此刻dclLazy就已经不是null了，但是dclLazy引用的是空间是空的，该空间是没有任何东西的，这时这个线程返回的对象就是不存在的。因此就会出现问题。为了解决该问题，需要在1号代码上加volatile关键字。private static volatile DCLLazyDemon dclLazy;

通过反射破坏单实例

第1种

public class DCLLazyDemon {
    private static volatile DCLLazyDemon dclLazy;

    private DCLLazyDemon(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " OK");
    };

    public static DCLLazyDemon getInstance(){
        if (dclLazy == null){
            synchronized (DCLLazyDemon.class){
                if(dclLazy==null){
                    dclLazy = new DCLLazyDemon();
                }
            }
        }
        return dclLazy;
    }
}

class DCLLazyTest{
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Constructor<DCLLazyDemon> constructor = DCLLazyDemon.class.getDeclaredConstructor(null);
        constructor.setAccessible(true);
        DCLLazyDemon instance1 = constructor.newInstance();
        DCLLazyDemon instance2 = constructor.newInstance();
        System.out.println(instance1);
        System.out.println(instance2);
    }
}
/*输出：
main OK
main OK
singletonmode.DCLLazyDemon@74a14482
singletonmode.DCLLazyDemon@1540e19d
可见被创建了2个实例，这里是反射通过构造器去创建对象的，因此可以给构造器一个信号量*/

解决：

public class DCLLazyDemon {
    private static volatile DCLLazyDemon dclLazy;
    private static boolean flag = false; // 1

    private DCLLazyDemon(){
        synchronized (DCLLazyDemon.class){
            if(flag == false){ // 2
                flag = true; // 如果为false，设置为true并初始化对象
            }else {
                throw new RuntimeException("不要使用反射来破坏");
            }
        }
    };

    public static DCLLazyDemon getInstance(){
        if (dclLazy == null){
            synchronized (DCLLazyDemon.class){
                if(dclLazy==null){
                    dclLazy = new DCLLazyDemon();
                }
            }
        }
        return dclLazy;
    }
}

class DCLLazyTest{
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Constructor<DCLLazyDemon> constructor = DCLLazyDemon.class.getDeclaredConstructor(null);
        constructor.setAccessible(true);
        DCLLazyDemon instance1 = constructor.newInstance();
        DCLLazyDemon instance2 = constructor.newInstance();
        System.out.println(instance1);
        System.out.println(instance2);
    }
}
/*输出：
Caused by: java.lang.RuntimeException: 不要使用反射来破坏
通过添加代码1，修改代码2。当通过反射来创建多个实例，会得到异常抛出。*/

第2种

通过上一种的升级，但还是可能会出现安全问题。尽管信号变量通过加密成了一个很难破解的变量，但是依旧会有被破解的可能。如果被破解知道了信号量，那么安全问题如下：

public class DCLLazyDemon {
    private static volatile DCLLazyDemon dclLazy;
    private static boolean flag = false;

    private DCLLazyDemon(){
        synchronized (DCLLazyDemon.class){
            if(flag == false){
                flag = true;
            }else {
                throw new RuntimeException("不要使用反射来破坏");
            }
        }
    };

    public static DCLLazyDemon getInstance(){
        if (dclLazy == null){
            synchronized (DCLLazyDemon.class){
                if(dclLazy==null){
                    dclLazy = new DCLLazyDemon();
                }
            }
        }
        return dclLazy;
    }
}

class DCLLazyTest{
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Constructor<DCLLazyDemon> constructor = DCLLazyDemon.class.getDeclaredConstructor(null);
        // 如果获取到了信号量的变量，就可通过反射获取该变量
        Field flag = DCLLazyDemon.class.getDeclaredField("flag");
        // 并设置该变量不进行安全监测
        flag.setAccessible(true);
        constructor.setAccessible(true);
        DCLLazyDemon instance1 = constructor.newInstance();
        // 在第一个实例创建完成之后，将信号量的值更改为true，又可以创建一个实例
        flag.set(instance1,false);
        DCLLazyDemon instance2 = constructor.newInstance();
        System.out.println(instance1);
        System.out.println(instance2);
    }
}
/*输出：
singletonmode.DCLLazyDemon@677327b6
singletonmode.DCLLazyDemon@14ae5a5
创建了2个实例*/

如何解决该问题呢？

通过反射的分析newInstance()源码

if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");

得出，枚举不能被反射创建。因此使用单例枚举式

4、静态内部类

使用静态内部类在类加载器加载的时候static就已经被创建，解决了线程安全问题，并实现了延时加载。可被反射破坏。

public class StaticClass {
    private static StaticClass staticClass;

    private StaticClass(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " OK");
    };

    private static class StaticClassIn{
       private static final StaticClass instance = new StaticClass();
    }

    public static StaticClass getInstance(){
        return StaticClassIn.instance;
    }
}
// 测试
class StaticClassTest{
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                StaticClass.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}

5、枚举

public enum  EnumDemon {

    INSTANCE;

    public static EnumDemon getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

class EnumTest{
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        EnumDemon instance1 = EnumDemon.getInstance();
        EnumDemon instance2 = EnumDemon.getInstance();
        System.out.println(instance1.equals(instance2)); // true
    }
}

尝试反射获取枚举实例

通过反射的分析newInstance()源码

if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");

得出，枚举不能被反射创建。

第一种尝试

【查看枚举的构造器】

通过查看IDEA生成的class文件：

通过javap -p命令对class文件进行反编译：

得知，枚举其实是一个final类继承了枚举类。

这里得知枚举的构造器为空构造器。

public enum  EnumDemon {

    INSTANCE;

    public static EnumDemon getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

class EnumTest{
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Constructor<EnumDemon> constructor = EnumDemon.class.getDeclaredConstructor(null);
        constructor.setAccessible(true);
        EnumDemon enumDemon = constructor.newInstance();
        System.out.println(enumDemon);

    }
}

输出：

//Exception in thread "main" java.lang.NoSuchMethodException:
// singletonmode.EnumDemon.<init>()

说明这构造器是假的。尝试失败！

第二种尝试

通过jad工具反编译class字节码文件，会生成一个java文件：

通过jad反编译生成的java文件，可以看到构造器是有参数的。这才是枚举的真正构造器。

public enum  EnumDemon {

    INSTANCE;

    public static EnumDemon getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

class EnumTest{
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // 通过查看到的真正构造器的参数，进行反射获取实例
        Constructor<EnumDemon> constructor = EnumDemon.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
        constructor.setAccessible(true);
        EnumDemon enumDemon = constructor.newInstance();
        System.out.println(enumDemon);

    }
}

输出：

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: 
// Cannot reflectively create enum objects
    at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417)
    at singletonmode.EnumTest.main(EnumDemon.java:30)

看到了源码的那句话，Cannot reflectively create enum objects 证实了枚举单例不可通过反射手段获取实例。尝试失败！

总结

• 饿汉式：线程安全（反射可破坏），调用效率高，不能延时加载
• 懒汉式：线程安全（反射可破坏）,调用效率不高，可以延时加载
• DCL懒汉式：线程安全（反射可破坏）。由于JVM底层模型原因，偶尔出现问题，不建议使用。
• 静态内部类式：线程安全（反射可破坏），调用效率高，可以延时加载
• 枚举单例：线程安全，调用效率高，不能延时加载