设计模式之单例模式

一、设计模式

1、设计模式分类

  • 创建型模式,共五种:工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。
  • 结构型模式,共七种:适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。
  • 行为型模式,共十一种:策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

2、设计模式的六大原则

1)、开闭原则(Open Close Principle)

开闭原则就是说对扩展开放,对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候,不能去修改原有的代码,实现一个热插拔的效果。所以一句话概括就是:为了使程序的扩展性好,易于维护和升级。想要达到这样的效果,我们需要使用接口和抽象类,

2)、里氏代换原则(Liskov Substitution Principle)

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说,任何基类可以出现的地方,子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石,只有当衍生类可以替换掉基类,软件单位的功能不受到影响时,基类才能真正被复用,而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现,所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。—— From Baidu 百科

3)、依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)

这个是开闭原则的基础,具体内容:针对接口编程,依赖于抽象而不依赖于具体。

4)、接口隔离原则(Interface Segregation Principle)

这个原则的意思是:使用多个隔离的接口,比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思,从这儿我们看出,其实设计模式就是一个软件的设计思想,从大型软件架构出发,为了升级和维护方便。所以上文中多次出现:降低依赖,降低耦合。

5)、迪米特法则(最少知道原则)(Demeter Principle)

为什么叫最少知道原则,就是说:一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用,使得系统功能模块相对独立。

6)、合成复用原则(Composite Reuse Principle)

原则是尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承。

二、单例模式

1、什么是单例

保证一个类只有一个实例,并且提供一个访问该全局访问点
## 2、单例应用场景
1. Windows的Task Manager(任务管理器)就是很典型的单例模式(这个很熟悉吧),想想看,是不是呢,你能打开两个windows task manager吗? 不信你自己试试看哦~
2. windows的Recycle Bin(回收站)也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中,回收站一直维护着仅有的一个实例。
3. 网站的计数器,一般也是采用单例模式实现,否则难以同步。
4. 应用程序的日志应用,一般都何用单例模式实现,这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态,因为只能有一个实例去操作,否则内容不好追加。
5. Web应用的配置对象的读取,一般也应用单例模式,这个是由于配置文件是共享的资源。
6. 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式,因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池,主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗,这种效率上的损耗还是非常昂贵的,因为何用单例模式来维护,就可以大大降低这种损耗。
7. 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式,这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。
8. 操作系统的文件系统,也是大的单例模式实现的具体例子,一个操作系统只能有一个文件系统。
9. HttpApplication 也是单位例的典型应用。熟悉ASP.Net(IIS)的整个请求生命周期的人应该知道HttpApplication也是单例模式,所有的HttpModule都共享一个HttpApplication实例.

3、单例优缺点

优点:
– 1.在单例模式中,活动的单例只有一个实例,对单例类的所有实例化得到的都是相同的一个实例。这样就 防止其它对象对自己的实例化,确保所有的对象都访问一个实例
– 2.单例模式具有一定的伸缩性,类自己来控制实例化进程,类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。
– 3.提供了对唯一实例的受控访问。
– 4.由于在系统内存中只存在一个对象,因此可以 节约系统资源,当 需要频繁创建和销毁的对象时单例模式无疑可以提高系统的性能。
– 5.允许可变数目的实例。
– 6.避免对共享资源的多重占用。

缺点:
– 1.不适用于变化的对象,如果同一类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化,单例就会引起数据的错误,不能保存彼此的状态。
– 2.由于单利模式中没有抽象层,因此单例类的扩展有很大的困难。
– 3.单例类的职责过重,在一定程度上违背了“单一职责原则”。
– 4.滥用单例将带来一些负面问题,如为了节省资源将数据库连接池对象设计为的单例类,可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出;如果实例化的对象长时间不被利用,系统会认为是垃圾而被回收,这将导致对象状态的丢失。

4、单例创建方式

  • 1.饿汉式:类初始化时,会立即加载该对象,线程天生安全,调用效率高。
  • 2.懒汉式: 类初始化时,不会初始化该对象,真正需要使用的时候才会创建该对象,具备懒加载功能。
  • 3.静态内部方式:结合了懒汉式和饿汉式各自的优点,真正需要对象的时候才会加载,加载类是线程安全的。
  • 4.枚举单例: 使用枚举实现单例模式 优点:实现简单、调用效率高,枚举本身就是单例,由jvm从根本上提供保障!避免通过反射和反序列化的漏洞, 缺点没有延迟加载。
  • 5.双重检测锁方式 (因为JVM本质重排序的原因,可能会初始化多次,不推荐使用)

5、饿汉式

//饿汉式
public class SingletonDemo01 {
    // 类初始化时,会立即加载该对象,线程天生安全,调用效率高
    private static SingletonDemo01 singletonDemo01 = new SingletonDemo01();

    private SingletonDemo01() {
        System.out.println("SingletonDemo01初始化");
    }

    public static SingletonDemo01 getInstance() {
        System.out.println("getInstance");
        return singletonDemo01;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo01 s1 = SingletonDemo01.getInstance();
        SingletonDemo01 s2 = SingletonDemo01.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }

}

6、懒汉式

//懒汉式
public class SingletonDemo02 {

    //类初始化时,不会初始化该对象,真正需要使用的时候才会创建该对象。
    private static SingletonDemo02 singletonDemo02;

    private SingletonDemo02() {

    }

    public synchronized static SingletonDemo02 getInstance() {
        if (singletonDemo02 == null) {
            singletonDemo02 = new SingletonDemo02();
        }
        return singletonDemo02;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo02 s1 = SingletonDemo02.getInstance();
        SingletonDemo02 s2 = SingletonDemo02.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }

}

7、静态内部类

// 静态内部类方式
public class SingletonDemo03 {
    private SingletonDemo03() {
           System.out.println("初始化..");
    }

    public static class SingletonClassInstance {
        private static final SingletonDemo03 singletonDemo03 = new SingletonDemo03();
    }

    // 方法没有同步
    public static SingletonDemo03 getInstance() {
        System.out.println("getInstance");
        return SingletonClassInstance.singletonDemo03;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo03 s1 = SingletonDemo03.getInstance();
        SingletonDemo03 s2 = SingletonDemo03.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

优势:兼顾了懒汉模式的内存优化(使用时才初始化)以及饿汉模式的安全性(不会被反射入侵)。

劣势:需要两个类去做到这一点,虽然不会创建静态内部类的对象,但是其 Class 对象还是会被创建,而且是属于永久带的对象。

8、枚举方式

枚举本身是单例的,一般用于项目中定义常量。

enum UserEnum {
    HTTP_200(200, "请求成功"),HTTP_500(500,"请求失败");
    private Integer code;
    private String name;

    UserEnum(Integer code, String name) {
        this.code = code;
        this.name = name;
    }

    public Integer getCode() {
        return code;
    }

    public void setCode(Integer code) {
        this.code = code;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

}

public class TestEnum {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(UserEnum.HTTP_500.getCode());
    }

}
/使用枚举实现单例模式 优点:实现简单、枚举本身就是单例,由jvm从根本上提供保障!避免通过反射和反序列化的漏洞 缺点没有延迟加载
public class User {
    public static User getInstance() {
        return SingletonDemo04.INSTANCE.getInstance();
    }

    private static enum SingletonDemo04 {
        INSTANCE;
        // 枚举元素为单例
        private User user;

        private SingletonDemo04() {
            System.out.println("SingletonDemo04");
            user = new User();
        }

        public User getInstance() {
            return user;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        User u1 = User.getInstance();
        User u2 = User.getInstance();
        System.out.println(u1 == u2);
    }
}

9、如何选择单例创建方式

如果不需要延迟加载单例,可以使用枚举或者饿汉式,相对来说枚举性能好于饿汉式。
如果需要延迟加载,可以使用静态内部类或者懒汉式,相对来说静态内部类好于懒汉式。

10、双重检测锁

public class SingletonDemo04 {
    private SingletonDemo04 singletonDemo04;

    private SingletonDemo04() {

    }

    public SingletonDemo04 getInstance() {
        if (singletonDemo04 == null) {
            synchronized (this) {
                if (singletonDemo04 == null) {
                    singletonDemo04 = new SingletonDemo04();
                }
            }
        }
        return singletonDemo04;
    }

}

11、单例防止反射漏洞攻击

在构造函数中,只能允许初始化化一次即可。

private static boolean flag = false;

    private SingletonDemo04() {

        if (flag == false) {
            flag = !flag;
        } else {
            throw new RuntimeException("单例模式被侵犯!");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

    }
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