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【设计模式】第一篇：概述、耦合、UML、七大原则，详细分析总结（基于Java）
一 单例模式概述
(一) 什么是单例模式
单例模式属于创建型模式之一，它提供了一种创建对象的最佳方式
在软件工程中，创建型模式是处理对象创建的设计模式，试图根据实际情况使用合适的方式创建对象。基本的对象创建方式可能会导致设计上的问题，或增加设计的复杂度。创建型模式通过以某种方式控制对象的创建来解决问题。
因为我们平时虽然可以定义一个全局变量使一个对象被访问，但是它并不能保证你多次实例化对象，最直观的，多次创建对象的代价就是消耗性能，导致效率会低一些。单例模式就是用来解决这些问题
顺便提一个很常见的例子：例如在 Win 系的电脑下我们永远只能打开一个任务管理器，这样可以避免出现一些资源浪费，以及多窗口显示数据不一致的问题
定义：单例模式，保证一个类仅有一个实例，并且提供一个访问它的全局访问点
(二) 特点
① 单例类只能有一个实例对象
② 单例类必须自己创建自己的唯一实例
③ 单例类必须对外提供一个访问该实例的方法
(三) 优缺点以及使用场景
(1) 优点
提供了对唯一实例的受控访问
保证了内存中只有唯一实例，减少了内存的开销
尤其表现在一些需要多次创建销毁实例的情况下
避免对资源的多重占用
比如对文件的写操作
(2) 缺点
单例模式中没有抽象层，没有接口，不能继承，扩展困难，扩展需要修改原来的代码，违背了 “开闭原则”
单例类的代码一般写在同一个类中，一定程度上职责过重，违背了 “单一职责原则”
(3) 应用场景
先说几个大家常见单例的例子：
Windows 下的任务管理器和回收站，都是典型的单例模式，你可以试一下，没法同时打开两个的哈
数据库连接池的设计一般也是单例模式，因为频繁的打开关闭与数据库的连接，会有不小的效率损耗
但是滥用单例也可能带来一些问题，例如导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出
网站计数器，通过单例解决同步问题
操作系统的文件系统
Web 应用的配置对象读取，因为配置文件属于共享的资源
程序的日志应用，一般也是单例，否则追加内容时，容易出问题
所以，根据一些常见的例子，简单总结一下，什么时候用单例模式呢？
① 需要频繁创建销毁实例的
② 实例创建时，消耗资源过多，或者耗时较多的，例如数据连接或者IO
③ 某个类只要求生成一个类的情况，例如生成唯一序列号，或者人的身份证
④ 对象需要共享的情况，如 Web 中配置对象
二 实现单例模式
根据单例模式的定义和特点，我们可以分为三步来实现最基本的单例模式
① 构造函数私有化
② 在类的内部创建实例
③ 提供本类实例的唯一全局访问点，即提供获取唯一实例的方法
(一) 饿汉式
我们就按照最基本的这三点来写
public class Hungry {
// 构造器私有，静止外部new
private Hungry(){}
// 在类的内部创建自己的实例
private static Hungry hungry = new Hungry();
// 获取本类实例的唯一全局访问点
public static Hungry getHungry(){
return hungry;
}
}
这种做法一开始就直接创建这个实例，我们也称为饿汉式单例，但是如果这个实例一直没有被调用，会造成内存的浪费，显然这样做是不合适的
(二) 懒汉式
饿汉式的主要问题在于，一开始就创建实例导致的内存浪费问题，那么我们将创建对象的步骤，挪到具体使用的时候
public class Lazy1 {
// 构造器私有，静止外部new
private Lazy1(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 访问到了");
}
// 定义即可，不真正创建
private static Lazy1 lazy1 = null;
// 获取本类实例的唯一全局访问点
public static Lazy1 getLazy1(){
// 如果实例不存在则new一个新的实例，否则返回现有的实例
if (lazy1 == null) {
lazy1 = new Lazy1();
}
return lazy1;
}
public static void main(String[] args) {
// 多线程访问，看看会有什么问题
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(()->{
Lazy1.getLazy1();
}).start();
}
}
}
例如上述代码，我们只在刚开始做了一个定义，真正的实例化是在调用 getLazy1() 时被执行
单线程环境下是没有问题的，但是多线程的情况下就会出现问题，例如下面是我运行结果中的一次：
Thread-0 访问到了
Thread-4 访问到了
Thread-1 访问到了
Thread-3 访问到了
Thread-2 访问到了
(三) DCL 懒汉式
(1) 方法上直接加锁
很显然，多线程下的普通懒汉式出现了问题，这个时候，我们只需要加一层锁就可以解决
简单的做法就是在方法前加上 synchronized 关键字
public static synchronized Lazy1 getLazy1(){
if (lazy1 == null) {
lazy1 = new Lazy1();
}
return lazy1;
}
(2) 缩小锁的范围
但是我们又想缩小锁的范围，毕竟方法上加锁，多线程中效率会低一些，所以只把锁加到需要的代码上
我们直观的可能会这样写
public static Lazy1 getLazy1(){
if (lazy1 == null) {
synchronized(Lazy1.class){
lazy1 = new Lazy1();
}
}
return lazy1;
}
但是这样还是有问题的
(3) 双重锁定
当线程 A 和 B 同时访问getLazy1()，执行到到 if (lazy1 == null) 这句的时候，同时判断出 lazy1 == null，也就同时进入了 if 代码块中，后面因为加了锁，只有一个能先执行实例化的操作，例如 A 先进入，但是 后面的 B 进入后同样也可以创建新的实例，就达不到单例的目的了，不信可以自己试一下
解决的方式就是再进行第二次的判断
// 获取本类实例的唯一全局访问点
public static Lazy1 getLazy1(){
// 如果实例不存在则new一个新的实例，否则返回现有的实例
if (lazy1 == null) {
// 加锁
synchronized(Lazy1.class){
// 第二次判断是否为null
if (lazy1 == null){
lazy1 = new Lazy1();
}
}
}
return lazy1;
}
(4) 指令重排问题
这种在适当位置加锁的方式，尽可能的降低了加锁对于性能的影响，也能达到预期效果
但是这段代码，在一定条件下还是会有问题，那就是指令重排问题
指令重排序是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。
什么意思呢？
首先要知道 lazy1 = new Lazy1(); 这一步并不是一个原子性操作，也就是说这个操作会分成很多步
① 分配对象的内存空间
② 执行构造函数，初始化对象
③ 指向对象到刚分配的内存空间
但是 JVM 为了效率对这个步骤进行了重排序，例如这样：
① 分配对象的内存空间
③ 指向对象到刚分配的内存空间，对象还没被初始化
② 执行构造函数，初始化对象
按照 ① ③ ② 的顺序，当 A 线程执行到 ② 后，B线程判断 lazy1 != null ，但是此时的 lazy1 还没有被初始化，所以会出问题，并且这个过程中 B 根本执行到锁那里，配个表格说明一下：
Time ThreadA ThreadB
解决的方法很简单——在定义时增加 volatile 关键字，避免指令重排
(5) 最终代码
最终代码如下：
public class Lazy1 {
// 构造器私有，静止外部new
private Lazy1(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 访问到了");
}
// 定义即可，不真正创建
private static volatile Lazy1 lazy1 = null;
// 获取本类实例的唯一全局访问点
public static Lazy1 getLazy1(){
// 如果实例不存在则new一个新的实例，否则返回现有的实例
if (lazy1 == null) {
// 加锁
synchronized(Lazy1.class){
// 第二次判断是否为null
if (lazy1 == null){
lazy1 = new Lazy1();
}
}
}
return lazy1;
}
public static void main(String[] args) {
// 多线程访问，看看会有什么问题
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(()->{
Lazy1.getLazy1();
}).start();
}
}
}
(四) 静态内部类懒汉式
双重锁定算是一种可行不错的方式，而静态内部类就是一种更加好的方法，不仅速度较快，还保证了线程安全，先看代码
public class Lazy2 {
// 构造器私有，静止外部new
private Lazy2(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 访问到了");
}
// 用来获取对象
public static Lazy2 getLazy2(){
return InnerClass.lazy2;
}
// 创建内部类
public static class InnerClass {
// 创建单例对象
private static Lazy2 lazy2 = new Lazy2();
}
public static void main(String[] args) {
// 多线程访问，看看会有什么问题
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(()->{
Lazy2.getLazy2();
}).start();
}
}
}
上面的代码，首先 InnerClass 是一个内部类，其在初始化时是不会被加载的，当用户执行了 getLazy2() 方法才会加载，同时创建单例对象，所以他也是懒汉式的方法，因为 InnerClass 是一个静态内部类，所以只会被实例化一次，从而达到线程安全，因为并没有加锁，所以性能上也会很快，所以一般是推荐的
主要就这几步骤
(五) 枚举方式
最后推荐一个非常好的方式，那就是枚举单例方式，其不仅简单，且保证了安全，先看一下 《Effective Java》中作者的说明：
这种方法在功能上与公有域方法相似，但更加简洁无偿地提供了序列化机制，绝对防止多次实例化。即使是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这种方法还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型经常成为实现Singleton 的最佳方法，注意，如果 Singleton 必须扩展一个超类，而不是扩展 enum 时则不宜使用这个方法，（虽然可以声明枚举去实现接口）。
节选自 《Effective Java》第3条：用私有构造器或者枚举类型强化 Singleton 属性
原著：Item3: Enforce the singleton property with a private constructor or an enum
代码就这样，简直不要太简单，访问通过 EnumSingle.IDEAL 就可以访问了
public enum EnumSingle {
IDEAL;
}
我们接下来就要给大家演示为什么枚举是一种比较安全的方式
三 反射破坏单例模式
(一) 单例是如何被破坏的
下面用双重锁定的懒汉式单例演示一下，这是我们原来的写法，new 两个实例出来，输出一下
public class Lazy1 {
// 构造器私有，静止外部new
private Lazy1(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 访问到了");
}
// 定义即可，不真正创建
private static volatile Lazy1 lazy1 = null;
// 获取本类实例的唯一全局访问点
public static Lazy1 getLazy1(){
// 如果实例不存在则new一个新的实例，否则返回现有的实例
if (lazy1 == null) {
// 加锁
synchronized(Lazy1.class){
// 第二次判断是否为null
if (lazy1 == null){
lazy1 = new Lazy1();
}
}
}
return lazy1;
}
public static void main(String[] args) {
Lazy1 lazy1 = getLazy1();
Lazy1 lazy2 = getLazy1();
System.out.println(lazy1);
System.out.println(lazy2);
}
}
运行结果： main 访问到了 cn.ideal.single.Lazy1@1b6d3586 cn.ideal.single.Lazy1@1b6d3586
主要就这几步骤
可以看到，结果是单例没有问题
(1) 一个普通实例化，一个反射实例化
但是我们如果通过反射的方式进行实例化类，会有什么问题呢？
public static void main(String[] args) throws Exception {
Lazy1 lazy1 = getLazy1();
// 获得其空参构造器
Constructor declaredConstructor = Lazy1.class.getDeclaredConstructor(null);
// 使得可操作性该 declaredConstructor 对象
declaredConstructor.setAccessible(true);
// 反射实例化
Lazy1 lazy2 = declaredConstructor.newInstance();
System.out.println(lazy1);
System.out.println(lazy2);
}
getDeclaredConstructor() 方法说明
方法返回一个Constructor对象，它反映此Class对象所表示的类或接口指定的构造函数。parameterTypesparameter是确定构造函数的形参类型，在Class对象声明顺序的数组。
public Constructor getDeclaredConstructor(Class<?>... parameterTypes) throws NoSuchMethodException, SecurityException
运行结果：
main 访问到了 main 访问到了 cn.ideal.single.Lazy1@1b6d3586 cn.ideal.single.Lazy1@4554617c
可以看到，单例被破坏了
解决办法：因为我们反射走的其无参构造，所以在无参构造中再次进行非null判断，加上原来的双重锁定，现在也就有三次判断了
// 构造器私有，静止外部new
private Lazy1(){
synchronized (Lazy1.class){
if(lazy1 != null) {
throw new RuntimeException("反射破坏单例异常");
}
}
}
不过结果也没让人失望，这种测试下，第二次实例化会直接报异常
(2) 两个都是反射实例化
如果两个都是反射实例化出来的，也就是说，根本就不去调用 getLazy1() 方法，那可怎么办？
如下：
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 获得其空参构造器
Constructor<Lazy1> declaredConstructor = Lazy1.class.getDeclaredConstructor(null);
// 使得可操作性该 declaredConstructor 对象
declaredConstructor.setAccessible(true);
// 反射实例化
Lazy1 lazy1 = declaredConstructor.newInstance();
Lazy1 lazy2 = declaredConstructor.newInstance();
System.out.println(lazy1);
System.out.println(lazy2);
}
运行结果：
main 访问到了 main 访问到了 cn.ideal.single.Lazy1@1b6d3586 cn.ideal.single.Lazy1@4554617c
单例又被破坏了
解决方案：增加一个标识位，例如下文通过增加一个布尔类型的 ideal 标识，保证只会执行一次，更安全的做法，可以进行加密处理，保证其安全性
// 构造器私有，静止外部new
private Lazy1(){
synchronized (Lazy1.class){
if (ideal == false){
ideal = true;
} else {
throw new RuntimeException("反射破坏单例异常");
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 访问到了");
}
这样就没问题了吗，并不是，一旦别人通过一些手段得到了这个标识内容，那么他就可以通过修改这个标识继续破坏单例，代码如下（这个把代码贴全一点，前面都是节选关键的，都可以参考这个）
public class Lazy1 {
private static boolean ideal = false;
// 构造器私有，静止外部new
private Lazy1(){
synchronized (Lazy1.class){
if (ideal == false){
ideal = true;
} else {
throw new RuntimeException("反射破坏单例异常");
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 访问到了");
}
// 定义即可，不真正创建
private static volatile Lazy1 lazy1 = null;
// 获取本类实例的唯一全局访问点
public static Lazy1 getLazy1(){
// 如果实例不存在则new一个新的实例，否则返回现有的实例
if (lazy1 == null) {
// 加锁
synchronized(Lazy1.class){
// 第二次判断是否为null
if (lazy1 == null){
lazy1 = new Lazy1();
}
}
}
return lazy1;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Field ideal = Lazy1.class.getDeclaredField("ideal");
ideal.setAccessible(true);
// 获得其空参构造器
Constructor<Lazy1> declaredConstructor = Lazy1.class.getDeclaredConstructor(null);
// 使得可操作性该 declaredConstructor 对象
declaredConstructor.setAccessible(true);
// 反射实例化
Lazy1 lazy1 = declaredConstructor.newInstance();
ideal.set(lazy1,false);
Lazy1 lazy2 = declaredConstructor.newInstance();
System.out.println(lazy1);
System.out.println(lazy2);
}
}
运行结果：
main 访问到了 main 访问到了 cn.ideal.single.Lazy1@4554617c cn.ideal.single.Lazy1@74a14482
实例化 lazy1 后，其执行了修改 ideal 这个布尔值为 false，从而绕过了判断，再次破坏了单例
所以，可以得出，这几种方式都是不安全的，都有着被反射破坏的风险
(二) 枚举类不会被破坏
上面在讲解枚举单例方式的时候就提过《Effective Java》中提到，即使是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候，（枚举单例方式）绝对防止多次实例化，下面来看一下是不是这样：
首先说一个前提条件：这是 Constructor 下的 newInstance 方法节选，也就是说遇到枚举时，会报异常，也就是不允许通过反射创建枚举
if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
看一下我们枚举单例类 EnumSingle 生成的字节码文件，可以看到其中有一个无参构造，也就是说，我们还是只需要拿到 getDeclaredConstructor(null) 就行了
代码如下：
public enum EnumSingle {
IDEAL;
public static void main(String[] args) throws Exception {
EnumSingle ideal1 = EnumSingle.IDEAL;
// 获得其空参构造器
Constructor<EnumSingle> declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(null);
// 使得可操作性该 declaredConstructor 对象
declaredConstructor.setAccessible(true);
// 反射实例化
EnumSingle ideal2 = declaredConstructor.newInstance();
System.out.println(ideal1);
System.out.println(ideal2);
}
}
运行结果却是出人意料：
提示竟然是找不到这个空参？？？字节码中可是却是存在的啊
Exception in thread "main" java.lang.NoSuchMethodException: cn.ideal.single.EnumSingle.()
自己 javap 反编译一下，可以看到还是有这个空参
换成 jad 再看看（将 jad.exe 放在字节码文件同目录下）
执行：jad -sjava EnumSingle.class
提示已经反编译结束：Parsing EnumSingle.class... Generating EnumSingle.java
打开生成的 java 文件，终于发现，原来它是一个带参构造，同时有两个参数，String 和 int
所以下面，我们只需要修改原来的无参为有参即可：
public enum EnumSingle {
IDEAL;
public static void main(String[] args) throws Exception {
EnumSingle ideal1 = EnumSingle.IDEAL;
Constructor<EnumSingle> declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
// 使得可操作性该 declaredConstructor 对象
declaredConstructor.setAccessible(true);
// 反射实例化
EnumSingle ideal2 = declaredConstructor.newInstance();
System.out.println(ideal1);
System.out.println(ideal2);
}
}
这样就没问题了，提示了我们想要的错误：Cannot reflectively create enum objects
这也说明，枚举类的单例模式写法确实不会被反射破坏！
四 结尾
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