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【Java设计模式 | 创建者模式】单例模式

news 2026/6/9 18:01:53

前言：

创建者模式主要关注是“怎么创建对象？”，它的主要特点是将对象的创建和使用分离。这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节。

创建模式分为：

单例模式（Singleton）：【Java设计模式 | 创建者模式】单例模式-CSDN博客

工厂方法模式（Factory Method）：【Java设计模式 | 创建者模式】工厂方法模式-CSDN博客

抽象工厂模式（Abstract Factory）：【Java设计模式 | 创建者模式】 抽象工厂模式-CSDN博客

建造者模式（Builder）

原型模式（Prototype）

单例设计模式：

单例模式（Singleton）是Java中最简单的设计模式之一。它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有一个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例模式结构：

单例模式主要有以下角色：

单例类：只能创建一个实例的类。

访问类：使用单例类。

单例模式的实现：

单例模式主要分为：

饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建，避免了线程同步问题。

懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会被创建。

一、饿汉式实现：

优点：实现简单，线程安全

缺点：可能造成资源浪费（如果实例未被使用）

1.静态变量方式：

私有构造函数确保外部无法通过new创建实例。

通过静态方法getInstance()提供全局唯一访问点。

public class Singleton { // 在类加载时创建实例 private static final Singleton instance = new Singleton(); // 私有构造函数防止外部实例化 private Singleton() {} // 提供全局访问点 public static Singleton getInstance() { return instance; } }

2.静态代码块：这种实现方式与直接静态变量方式的本质相同。静态代码块方式适合需要更复杂初始化逻辑的场景。

私有构造函数防止外部实例化

全局唯一访问点通过getInstance()方法提供

public class Singleton { // 静态实例变量 private static Singleton instance; // 静态代码块初始化实例 static { instance = new Singleton(); } // 私有构造函数防止外部实例化 private Singleton() {} // 提供全局访问点 public static Singleton getInstance() { return instance; } }

二、懒汉式实现：

懒汉式单例模式的特点是延迟初始化，即在第一次调用时才创建实例。（需要判断instance是否为null）

3.线程不安全：如果有多个线程，可能存在创建多个实例的情况，导致线程不安全。

public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; } }

4.线程安全：可以通过添加synchronized关键字实现线程安全。

public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton() {} public static synchronized Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; } }

5.双重检查锁：直接同步整个方法会影响性能，可以使用双重检查锁定来减少同步范围。

注意volatile关键字的使用，它防止指令重排序导致的初始化问题（例如多线程情况下，可能出现空指针问题）。设计到并发编程就不过多讲解。

public class Singleton { private static volatile Singleton instance; private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } } } return instance; } }

6.静态内部类（推荐）：由于JVM在加载外部类的过程中，不会加载静态内部类，只有内部类的属性/方法被调用时才会被加载，并初始化其静态属性。静态属性由于被static修饰，保证之后被实例化一次，并且严格保证实例化顺序。线程安全由JVM保证。

相对于多重检查锁实现单例模式，静态内部类的方式在保证了线程安全的前提下，实现更加的简单。

public class Singleton { private Singleton() { // 私有构造函数，防止外部实例化 } private static class SingletonHolder { private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); } public static Singleton getInstance() { return SingletonHolder.INSTANCE; } }

7.枚举方式：枚举类是单例模式实现极力推荐的方式。属于饿汉式方式，在不考虑内存空间的情况下，首先考虑枚举方式。

优点：

  • 这是实现单例模式最简洁安全的方式
  • 天生支持序列化机制
  • 防止反射攻击
  • 线程安全由JVM保证
public enum Singleton { INSTANCE; public void doSomething() { // 业务方法 } }

单例模式的破坏：

使上面定义的单例类（Singleton）可以创建多个对象（枚举方式除外）。有两种方式：序列化和反射。

序列化和反序列化：通过序列化和反序列化可以破坏单例模式，关键在于反序列化时会创建新的对象实例。

import java.io.*; // 可被序列化破坏的单例类 class Singleton implements Serializable { private static final long serialVersionUID = 1L; private static Singleton instance = new Singleton(); private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { return instance; } } public class BreakSingleton { public static void main(String[] args) throws Exception { Singleton instance1 = Singleton.getInstance(); // 序列化到文件 ObjectOutput out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("singleton.ser")); out.writeObject(instance1); out.close(); // 反序列化 ObjectInput in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("singleton.ser")); Singleton instance2 = (Singleton) in.readObject(); in.close(); System.out.println("instance1 hashCode: " + instance1.hashCode()); System.out.println("instance2 hashCode: " + instance2.hashCode()); System.out.println("Is same instance? " + (instance1 == instance2)); } }

防止序列化和反序列化破坏的方法：实现readResolve()方法是防止序列化破坏单例的关键。当JVM反序列化对象时，会检查类是否定义了此方法。如果存在，JVM会自动调用该方法获取对象，而不是新建实例。

import java.io.*; // 防止序列化破坏的单例类 class SafeSingleton implements Serializable { private static final long serialVersionUID = 1L; private static SafeSingleton instance = new SafeSingleton(); private SafeSingleton() {} public static SafeSingleton getInstance() { return instance; } // 关键方法：反序列化时返回已有实例 protected Object readResolve() { return instance; } } public class SafeSingletonDemo { public static void main(String[] args) throws Exception { SafeSingleton instance1 = SafeSingleton.getInstance(); // 序列化 ObjectOutput out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("safe.ser")); out.writeObject(instance1); out.close(); // 反序列化 ObjectInput in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("safe.ser")); SafeSingleton instance2 = (SafeSingleton) in.readObject(); in.close(); System.out.println("instance1 hashCode: " + instance1.hashCode()); System.out.println("instance2 hashCode: " + instance2.hashCode()); System.out.println("Is same instance? " + (instance1 == instance2)); } }

反射破坏：单例模式通常通过私有构造函数和静态方法确保只有一个实例。反射可以绕过这些限制，直接调用私有构造函数创建新实例。

import java.lang.reflect.Constructor; public class BreakSingleton { public static void main(String[] args) throws Exception { Singleton instance1 = Singleton.getInstance(); // 获取私有构造函数 Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor(); constructor.setAccessible(true); // 突破私有访问限制 // 创建第二个实例 Singleton instance2 = constructor.newInstance(); System.out.println("Instance 1 hash: " + instance1.hashCode()); System.out.println("Instance 2 hash: " + instance2.hashCode()); System.out.println("Are instances equal? " + (instance1 == instance2)); } }

防止反射破坏的方法：

方法一：在单例类的私有构造函数中添加实例存在性检查。简单有效，但懒汉式多线程下仍有有漏洞。

public class Singleton { private static Singleton instance = new Singleton(); private Singleton() { // 防止反射破坏单例的可选检查 if (instance != null) { throw new RuntimeException("Attempt to create duplicate singleton instance"); } } public static Singleton getInstance() { return instance; } }

方法二：通过双重检查锁定（DCL）实现线程安全的懒汉式单例，并增加反射防护机制

volatile关键字：确保多线程环境下instance变量的可见性，防止指令重排序导致的未初始化对象被引用。

私有构造函数防护：在构造函数中检查实例是否已存在，若通过反射调用构造函数会直接抛出异常。

双重检查锁定：外层判断避免每次获取实例都加锁，内层判断确保多线程环境下只创建一个实例。

public class Singleton { private static volatile Singleton instance; private Singleton() { if (instance != null) { throw new IllegalStateException("Singleton instance already exists"); } } public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } } } return instance; } }
http://www.jsqmd.com/news/605425/

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