浅谈单例模式和线程安全问题

单例模式、多实例模式、和线程安全

单例模式

单例模式是指确保一个类仅有一个唯一的实例，并且提供了一个全局的访问点。

分类： 懒汉式、饿汉式

为什么需要单例模式？

再某些特殊的情况下，存在一个类仅能用来产生一个唯一对象的必要性。例如：打印机室有许多打印机，但是它的打印管理系统只有一个打印任务控制对象，该对象管理打印排队并分配打印任务给各个打印机。单例模式正是为了解决这样的需求而产生的。

实现思路：

为了防止客户端利用构造器创建多个对象，将构造方法声明为 private 类型。但这样会使得这个类不可用，所以必须提供一个可以获得实例的静态方法，通常称为 getInstance 方法， 该方法返回一个实例。这个方法必须是静态的，因为静态方法是根据类名调用的，否则也是无法使用的。

类图：懒汉式

类图：饿汉式

先来看一个简单的例子：

测试单例类：Dog’

//懒汉式
public class Dog {
private static Dog dog;
private String name;
private int age;

//私有的构造器
private Dog() {}

public String getName() {
return name;
}

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

public int getAge() {
return age;
}

public void setAge(int age) {
this.age = age;
}

//静态工厂方法
public static Dog getInstance() {
if (dog == null) {
dog = new Dog();
}
return dog;
}

@Override
public String toString() {
return "Dog [name=" + name + ", age=" + age + "]";
}
}

测试单例类：Cat

//饿汉式
public class Cat {
private static Cat cat = new Cat();
private String name;
private int age;

//私有构造器
private Cat() {}

public String getName() {
return name;
}

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

public int getAge() {
return age;
}

public void setAge(int age) {
this.age = age;
}

//静态工厂方法
public static Cat getInstance() {
return cat;
}

@Override
public String toString() {
return "Cat [name=" + name + ", age=" + age + "]";
}
}

测试类

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class Client {

public static void main(String[] args) {
//单线程模式测试
Dog dog1 = Dog.getInstance();
Dog dog2 = Dog.getInstance();
System.out.println("dog1 == dog2: "+(dog1 == dog2));

Cat cat1 = Cat.getInstance();
Cat cat2 = Cat.getInstance();
System.out.println("cat1 == cat2: "+(cat1 == cat2));
}
}

运行结果

懒汉式和饿汉式对比

创建区别

懒汉式是在第一次调用静态方法 getInstance() 时创建单例对象。
饿汉式是在类加载时创建单例对象，即在声明静态单例对象时实例化单例类。

线程安全

懒汉式是线程不安全的，而饿汉式是线程安全的（下面会测试）。

资源占用

懒汉式是等到使用时才会创建，而饿汉式是在类加载时创建。所以懒汉式没有饿汉式快，但是饿汉式比较占用资源，如果一直不使用，会很占据资源。

多线程模式下的安全性

多线程类

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class DogThread extends Thread{
private Dog dog;
private Set<Dog> set;

public DogThread() {
set = new HashSet<>();
}

//这个方法是为了测试添加的。
public int getCount() {
return set.size();
}

@Override
public void run() {
dog = Dog.getInstance();
set.add(dog);
}
}

多线程测试类

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class Client {

public static void main(String[] args) {
//单线程模式测试
Dog dog1 = Dog.getInstance();
Dog dog2 = Dog.getInstance();
System.out.println("dog1 == dog2: "+(dog1 == dog2));

Cat cat1 = Cat.getInstance();
Cat cat2 = Cat.getInstance();
System.out.println("cat1 == cat2: "+(cat1 == cat2));

//多线程模式测试
DogThread dogThread = new DogThread();
Thread thread = null;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
thread = new Thread(dogThread);
thread.start();
}

try {
Thread.sleep(2000); //主线程等待子线程完成！
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("dog's number: "+dogThread.getCount());
}
}

运行结果
注意：多线程的结果是很难预测的，这里涉及线程的竞争，可能多次运行结果是一样的（多次一样并不代表是绝对正确），但是只要多次测试，就能看到不一样的结果。

说明

这里我使用一点集合的技巧，利用 Set 集合的特性，把每次产生的 dog 对象存入 Set集合中，最后只要调用集合的 size() 方法就行了。可以看出来产生了两个 dog 对象，这就是产生了错误，这就是属于编程错误了。还要明白多线程下不一定会出错，所以产生的 dog 对象小于线程数。
由于 饿汉式单例 是线程安全的，这里就不测试了，有兴趣的可以测试一下。

解决懒汉式单例线程安全的方法：同步
注意：同步有很多种方法，也可以使用 Lock 进行处理，同步是一种方法，不是特指 synchronzied 这个关键字，感兴趣的人可以多探究一下。
并且同步的方法通常比较慢，性能方面也要权衡。

//静态同步工厂方法
public synchronized static Dog getInstance() {
if (dog == null) {
dog = new Dog();
}
return dog;
}

多实例模式

这里补充一个多实例的模式，就是对象数量是固定数目的。可以看出单例模式的推广。当然了实现方式也有很多，大家可以尝试以下，这里是我的方式。

多实例模式类

//固定数目实例模式
public class MultiInstance {
//实例数量,这里为四个
private final static int INSTANCE_COUNT = 4;
private static int COUNT = 0;
private static MultiInstance[] instance = new MultiInstance[4];

private MultiInstance() {};

public static MultiInstance getInstance() {
//注意数组的下标只能为 COUNT - 1
if (MultiInstance.COUNT <= MultiInstance.INSTANCE_COUNT - 1) {
instance[MultiInstance.COUNT] = new MultiInstance();
MultiInstance.COUNT++;
}
//返回实例前，执行了 COUNT++ 操作，所以 应该返回上一个实例
return MultiInstance.instance[MultiInstance.COUNT-1];  
}
}

测试类

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class Test {
public static void main(String[] args) {

System.out.println("------------------------");
testMultiInstance();
}

//测试多实例模式（单例的扩展，固定数目实例）
public static void testMultiInstance() {
Set<MultiInstance> instanceSet = new HashSet<>();
MultiInstance instance = null;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
instance = MultiInstance.getInstance();
instanceSet.add(instance);
}
System.out.println("8个实例中，不同的实例有："+instanceSet.size());  
}
}

运行结果
注意：如果在多线程环境下使用，也是要考虑线程安全的。感兴趣的可以自己实现一下。

单例模式一定是安全的吗？

不一定，有很多方法可以破坏单例模式！

这里举例看一看（我只能举我知道的哈！其他的感兴趣，可以去探究一下！）
使用反射：这种办法是非常有用的，通过反射即使是私有的属性和方法也可以访问了，因此反射破坏了类的封装性，所以使用反射还是要多多小心。但是反射也有许多其他的用途，这是一项非常有趣的技术（我也只是会一点点）。

使用反射破坏单例模式测试类

这里使用的还是前面的 Dog 实体类。注意我这里的**包名：**com。
所有的类都是在 com包 下面的。

import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;

public class Client {
public static void main(String[] args) throws
ClassNotFoundException,
NoSuchMethodException,
SecurityException,
InstantiationException,
IllegalAccessException,
IllegalArgumentException,
InvocationTargetException {

Class<?> clazz = Class.forName("com.Dog");
Constructor<?> con = clazz.getDeclaredConstructor();
//设置可访问权限
con.setAccessible(true);
Dog dog1 = (Dog) con.newInstance();
Dog dog2 = (Dog) con.newInstance();
System.out.println(dog1 == dog2);
}
}

说明：反射的功能是很强大的，从这里既可以看出来，正是有了反射，才使得Java 语言具有了更多的特色，这也是Java的强大之处。

使用对象序列化破坏单例模式

测试实体类：Dog（增加一个对象序列化接口实现）

import java.io.Serializable;
//懒汉式
public class Dog implements Serializable{
private static final long serialVersionUID = 1L;

private static Dog dog;
private String name;
private int age;

//私有的构造器
private Dog() {}

public String getName() {
return name;
}

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

public int getAge() {
return age;
}

public void setAge(int age) {
this.age = age;
}

//静态工厂方法
public synchronized static Dog getInstance() {
if (dog == null) {
dog = new Dog();
}
return dog;
}

@Override
public String toString() {
return "Dog [name=" + name + ", age=" + age + "]";
}
}

对象序列化测试类

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;

public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
Dog dog1 = Dog.getInstance();
dog1.setName("小黑");
dog1.setAge(2);
System.out.println(dog1.toString());

ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
oos.writeObject(dog1);

ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
Dog dog2 = (Dog) ois.readObject();
System.out.println(dog2.toString());
System.out.println("dog1 == dog2: "+(dog1 == dog2));

}
}

运行结果

说明
这里可以看出来通过对象序列化（这里也可以说是对象的深拷贝或深克隆），
同样也可以实现类的实例的不唯一性。这同样也算是破坏了类的封装性。对象序列化和反序列化的过程中，对象的唯一性变了。

这里具体的原因很复杂，我最近看了点深拷贝的知识，所以只是知其然不知其之所以然。(所以学习是需要不断进行的！加油诸位。)
这里我贴一下别的经验吧：（感兴趣的可以实现一下！）

为什么序列化可以破坏单例了？
答：序列化会通过反射调用无参数的构造方法创建一个新的对象。

这个东西目前超出了我的能力范围了，但也是去查看源码得出来的，就是序列化(serializable)和反序列化(externalizable)接口的详细情况了。但是有一点，它也是通过反射来做的的，所以可以看出**反射（reflect）**是一种非常强大和危险的技术了。

来源：https://blog.csdn.net/qq_40734247/article/details/102884440