【设计模式】你的单例模式真的可以直接用于生产吗?

本文重要关注点:

  • 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。

单例模式应用场景

  • 项目配置类

    读取项目的配置信息的类可以做成单例的,因为只需要读取一次,且配置信息字段一般比较多节省资源。通过这个单例的类,可以对应用程序中的类进行全局访问。无需多次对配置文件进行多次读取。

  • 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,但是可以到处使用。

  • 分析和报告类

    如果你在使用一些数据分析工具例如Google Analytics。你就可以注意到它们被设计成单例的,仅仅初始化一次,然后在用户的每一个行为中都可以使用。

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。阻止其他类从应用中直接初始化该类。

  • 创建一个public static 的静态方法。该方法用于返回一个单例类实例。

  • 还可以选择懒加载初始化更友好。

示例代码

示例代码参见以下类

  • 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,在第一次使用时才创建实例
if(instance == null){
instance = new Singleton();
}
return  instance;
}


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


}

单元测试类:

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);

}
}

运行输出如下,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说是非常重要的。上述Singleton类是非线程安全的,因为在线程并发的场景下,可能会创建多个Singleton实例。

为了规避这个问题,我们可以将 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;
}

这样确实解决了线程安全的问题。但是,synchronized 关键字存在严重的性能问题。我们还可以进一步优化 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;

}

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);

}
}

运行测试用例,输出如下:

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]


可以看到,最开始的实现方式性能是最好的,但是是非线程安全的;
Synchronized 锁住整个getInstance方法,可以做到线程安全,但是性能是最差的;
缩小Synchronized范围,可以提高性能。

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,降低性能损耗
if(instance == null){
synchronized (SingletonZClone.class){
if(instance == null){
instance = new SingletonZClone();
}
}
}
return  instance;
}

/**
* 克隆方法--改为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!");
}


}

默认情况下clone时protected修饰的,这里改为了public修饰,测试用例如下:

@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);

}

输出如下:

true

false

false

我们了解一下clone方法的API解释, clone 后的对象虽然属性值可能是一样的,但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,除了内存地址其他属性值都是一样的,所以副本和被克隆对象不是同一个实例。
可以看出clone方法破坏了单例类,为防止该问题出现,我们需要禁用clone方法,直接改为:

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

单例和序列化问题

Java序列化机制允许将一个对象的状态转换为字节流,就可以很容易地存储和转移。
一旦对象被序列化,你就可以对其进行反序列化–将字节流转为对象。
如果一个Singleton类被序列化,则可能创建重复的对象。
我们可以使用钩子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() 方法允许一个类可以替换/解析从流中读取到的对象。
通过实现 readResolve 方法,一个类就可以直接控制反序列化后的实例以及类型。
定义如下:

  ANY-ACCESS-MODIFIER Object readResolve()
               throws ObjectStreamException;

readResolve 方法会在ObjectInputStream 从流中读取一个对象时调用。ObjectInputStream 会检测类是否定义了 readResolve 方法。
如果 readResolve 方法定义了,会调用该方法用于指定从流中反序列化后作为返回的结果对象。
返回的类型要与原对象的类型一致,不然会出现 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);

}

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。

所以我们可以覆盖 readResolve 方法来解决序列化破坏单例的问题:

类 SingletonZCloneSerializableReadResolve 增加 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();
}

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);

}

输出true,有效防止了反序列化对单例的破坏。

你知道吗?

  • 单例类是很少使用的,如果你要使用这个设计模式,你必须清楚的知道你在做什么。因为全局范围内仅仅创建一个实例,所以在资源受约束的平台是存在风险的。

  • 注意对象克隆。 单例模式需要仔细检查并阻止clone方法。

  • 多线程访问下,需要注意线程安全问题。

  • 小心多重类加载器,也许会破坏你的单例类。

  • 如果单例类是可序列化的,需要实现严格类型


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