【设计模式】你的单例模式真的是生产可用的吗？

时间  2019-11-08
标签 设计模式 模式 生产 可用 繁體版
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本文重要关注点：html

  • 线程安全的单例模式
  • 防止对象克隆破坏单例模式Singleton
  • 防止序列化破坏单例模式

单例模式

什么是单例模式

单例模式属于管理实例的创造型类型模式。单例模式保证在你的应用种最多只有一个指定类的实例。java

单例模式应用场景

  • 项目配置类

读取项目的配置信息的类能够作成单例的，由于只须要读取一次，且配置信息字段通常比较多节省资源。经过这个单例的类，能够对应用程序中的类进行全局访问。无需屡次对配置文件进行屡次读取。设计模式

  • 应用日志类

日志器Logger在你的应用中是无处不在的。也应该只初始化一次，可是能够处处使用。安全

  • 分析和报告类

若是你在使用一些数据分析工具例如Google Analytics。你就能够注意到它们被设计成单例的，仅仅初始化一次，而后在用户的每个行为中均可以使用。多线程

单例模式简图

实现单例模式的类

  • 将默认的构造器设置为private。阻止其余类从应用中直接初始化该类。并发

  • 建立一个public static 的静态方法。该方法用于返回一个单例类实例。oracle

  • 还能够选择懒加载初始化更友好。ide

示例代码

示例代码参见如下类工具

  • org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton
public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    // 构造器私有化
    private Singleton(){

    }

    // 提供静态方法
    public static Singleton getInstance(){

        // 懒加载初始化，在第一次使用时才建立实例
        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return  instance;
    }


    public void display(){
        System.out.println("Hurray! I am create as a Singleton!");
    }


}
复制代码

单元测试类:性能

package org.byron4j.cookbook.designpattern;

import org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton;
import org.junit.Test;

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SingletonTest {

    @Test
    public void test(){
        final Set<Singleton> sets = new HashSet<>();

        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10000);

        for(int i = 1; i <= 100000; i++){
            es.execute(new Runnable() {
                public void run(){
                    Singleton s = Singleton.getInstance();
                    sets.add(s);
                }
            });
        }

        System.out.println(sets);

    }
}

复制代码

运行输出以下，结果生成了多个Singleton实例：

[org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton@46b91344, org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton@1f397b96]

线程安全的单例模式

线程安全对于单例类来讲是很是重要的。上述Singleton类是非线程安全的，由于在线程并发的场景下，可能会建立多个Singleton实例。

为了规避这个问题，咱们能够将 getInstance 方法用同步字 synchronized 修饰，这样迫使线程等待直到前面一个线程执行完毕，如此就避免了同时存在多个线程访问该方法的场景。

public static synchronized Singleton getInstance() {
		
		// Lazy initialization, creating object on first use
		if (instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
}
复制代码

这样确实解决了线程安全的问题。可是，synchronized 关键字存在严重的性能问题。咱们还能够进一步优化 getInstance 方法，将实例同步，将方法范围缩小：

public static Singleton getInstance() {

		// Lazy initialization, creating object on first use
		if (instance == null) {
			synchronized (Singleton.class) {
				if (instance == null) {
					instance = new Singleton();
				}
			}
		}

	return instance;

}
复制代码

单元测试三种方式耗时比较：

package org.byron4j.cookbook.designpattern;

import org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton;
import org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.SingletonSynchronized;
import org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.SingletonSynchronizedOptimized;
import org.junit.Test;

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SingletonTest {

    @Test
    public void test(){
        final Set<Singleton> sets = new HashSet<>();
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10000);

        for(int i = 1; i <= 100000; i++){
            es.execute(new Runnable() {
                public void run(){
                    Singleton s = Singleton.getInstance();
                    sets.add(s);
                }
            });
        }
        System.out.println("test用时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
        System.out.println(sets);

    }

    @Test
    public void testSynchronized(){
        final Set<SingletonSynchronized> sets = new HashSet<>();
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10000);

        for(int i = 1; i <= 100000; i++){
            es.execute(new Runnable() {
                public void run(){
                    SingletonSynchronized s = SingletonSynchronized.getInstance();
                    sets.add(s);
                }
            });
        }
        System.out.println("testSynchronized用时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
        System.out.println(sets);

    }

    @Test
    public void testOptimised(){
        final Set<SingletonSynchronizedOptimized> sets = new HashSet<>();
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10000);

        for(int i = 1; i <= 100000; i++){
            es.execute(new Runnable() {
                public void run(){
                    SingletonSynchronizedOptimized s = SingletonSynchronizedOptimized.getInstance();
                    sets.add(s);
                }
            });
        }

        System.out.println("testOptimised用时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
        System.out.println(sets);

    }
}

复制代码

运行测试用例，输出以下：

test用时:1564
[org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.Singleton@68eae58e]

testSynchronized用时:3658
[org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.SingletonSynchronized@36429a46]

testOptimised用时:2254
[org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton.SingletonSynchronizedOptimized@21571826]


复制代码

能够看到，最开始的实现方式性能是最好的，可是是非线程安全的； Synchronized 锁住整个getInstance方法，能够作到线程安全，可是性能是最差的； 缩小Synchronized范围，能够提升性能。

单例Singleton和对象克隆

涉及单例类时还要注意clone方法的正确使用：

package org.byron4j.cookbook.designpattern.singleton;

/** * 单例模式实例 * 1. 构造器私有化 * 2. 提供静态方法供外部获取单例实例 * 3. 延迟初始化实例 */
public class SingletonZClone implements Cloneable{

    private static SingletonZClone instance;

    // 构造器私有化
    private SingletonZClone(){

    }

    // 提供静态方法
    public static SingletonZClone getInstance(){

        // 将同步锁范围缩小，下降性能损耗
        if(instance == null){
            synchronized (SingletonZClone.class){
                if(instance == null){
                    instance = new SingletonZClone();
                }
            }
        }
        return  instance;
    }

    /** * 克隆方法--改成public * @return * @throws CloneNotSupportedException */
    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }

    public void display(){
        System.out.println("Hurray! I am create as a SingletonZClone!");
    }


}

复制代码

默认状况下clone时protected修饰的，这里改成了public修饰，测试用例以下：

@Test
    public void testClone() throws CloneNotSupportedException {
        SingletonZClone singletonZClone1 = SingletonZClone.getInstance();
        SingletonZClone singletonZClone2 = SingletonZClone.getInstance();
        SingletonZClone singletonZClone3 = (SingletonZClone)SingletonZClone.getInstance().clone();

        System.out.println(singletonZClone1 == singletonZClone2);
        System.out.println(singletonZClone1 == singletonZClone3);
        System.out.println(singletonZClone2 == singletonZClone3);

    }
复制代码

输出以下：

true

false

false

咱们了解一下clone方法的API解释, clone 后的对象虽然属性值多是同样的，可是已经不是同一个对象实例了：

x.clone() != x

x.clone().getClass() == x.getClass()

x.clone().equals(x)

clone方法返回一个被克隆对象的实例的副本，除了内存地址其余属性值都是同样的，因此副本和被克隆对象不是同一个实例。 能够看出clone方法破坏了单例类，为防止该问题出现，咱们须要禁用clone方法，直接改成：

/** * 克隆方法--改成public * @return * @throws CloneNotSupportedException */
    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        throw new CloneNotSupportedException();
    }
复制代码

单例和序列化问题

Java序列化机制容许将一个对象的状态转换为字节流，就能够很容易地存储和转移。 一旦对象被序列化，你就能够对其进行反序列化--将字节流转为对象。 若是一个Singleton类被序列化，则可能建立重复的对象。 咱们可使用钩子hook，来解释这个问题。

readResolve()方法

在Java规范中有关于readResolve()方法的介绍：

对于可序列化的和外部化的类，readResolve() 方法容许一个类能够替换/解析从流中读取到的对象。 经过实现 readResolve 方法，一个类就能够直接控制反序列化后的实例以及类型。 定义以下：

ANY-ACCESS-MODIFIER Object readResolve()
       		throws ObjectStreamException;
复制代码

readResolve 方法会在ObjectInputStream 从流中读取一个对象时调用。ObjectInputStream 会检测类是否认义了 readResolve 方法。 若是 readResolve 方法定义了，会调用该方法用于指定从流中反序列化后做为返回的结果对象。 返回的类型要与原对象的类型一致，否则会出现 ClassCastException。

@Test
    public void testSeria() throws Exception {
        SingletonZCloneSerializable singletonZClone1 = SingletonZCloneSerializable.getInstance();


        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("test.ser"));
        oos.writeObject(singletonZClone1);
        oos.close();
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("test.ser"));
        SingletonZCloneSerializable test = (SingletonZCloneSerializable) ois.readObject();
        ois.close();
        System.out.println(singletonZClone1 == test);

    }
复制代码

测试输出： false； 说明反序列化的时候已经不是原来的实例了，如此会破坏单例模式。

因此咱们能够覆盖 readResolve 方法来解决序列化破坏单例的问题：

类 SingletonZCloneSerializableReadResolve 增长 readResolve 方法：

/** * 反序列化时返回instance实例，防止破坏单例模式 * @return */
    protected Object readResolve(){
        return getInstance();
    }
复制代码

执行测试用例:

@Test
    public void testSReadResolve() throws Exception {
        
         s = SingletonZCloneSerializableReadResolve.getInstance();


        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("test.ser"));
        oos.writeObject(s);
        oos.close();
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("test.ser"));
        SingletonZCloneSerializableReadResolve test = (SingletonZCloneSerializableReadResolve) ois.readObject();
        ois.close();
        System.out.println(s == test);

    }
复制代码

输出true，有效防止了反序列化对单例的破坏。

你知道吗？

  • 单例类是不多使用的，若是你要使用这个设计模式，你必须清楚的知道你在作什么。由于全局范围内仅仅建立一个实例，因此在资源受约束的平台是存在风险的。

  • 注意对象克隆。 单例模式须要仔细检查并阻止clone方法。

  • 多线程访问下，须要注意线程安全问题。

  • 当心多重类加载器，也许会破坏你的单例类。

  • 若是单例类是可序列化的，须要实现严格类型

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