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浅谈Java常见设计模式(二)

lgli

共 16127字，需浏览 33分钟

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2021-02-05 12:26

你，发如雪,凄美了离别

我焚香感动了谁

邀明月,让回忆皎洁

爱在月光下完美

你，发如雪,纷飞了眼泪

我等待苍老了谁

红尘醉,微醺的岁月

我用无悔,刻永世爱你的碑



接浅谈Java常见设计模式（一），上文说到了关于如何创建城市的对比信息，一般来说，对比城市，需要创建所有的信息保证唯一性，以免到时候维度不唯一了，导致对比性出现了差异。比如，如果创建城市基本信息，那么关于每一个城市，只需要创建出唯一的一个就好了，这时候，就需要用到单例模式，即在程序运行时，对象只有一份！



一般来说，单例模式具有4种实现方式：


饿汉式单例：


饿汉式单例，即对象被加载到内存中后，初始化改对象，然后使用的时候直接获取：



package com.lgli.create.single;
/** * 单例模式 * @author lgli */public class Single {    public static void main(String[] args) {        ChongQingCityBase base = ChongQingCityBase.getInstance();        System.out.println(base);    }
}


/** * 重庆市基本信息 * @author lgli */class ChongQingCityBase extends CityBase {    private static final ChongQingCityBase chongQingCityBase            = new ChongQingCityBase();    private ChongQingCityBase (){    }
    public static ChongQingCityBase getInstance(){        return chongQingCityBase;    }
    void base() {        System.out.println("重庆市基本信息");    }}
/** * 抽象城市基本信息类 */abstract class CityBase{    abstract void base();}


这里用多线程来测试下，是否都只实例化了一个对象：


0366d3336917a105b1cf1fb0b6960149.webp


这里定义了1000个线程运行，得到的对象都是一个


饿汉式单例，是无论是否需要用到，在类被加载到内存中的时候，就已经在堆中实例化了这个对象，


这时候，就有点尴尬了，假设从来没有用到过，那么这就有点浪费内存了，


所以，懒汉式单例应运而生


懒汉式单例：


懒汉式单例，是需要用到这个对象的时候，才实例化这个对象


package com.lgli.create.single.singlev2;

/** * * 单例模式--懒汉式 * @author lgli */public class Single {

    public static void main(String[] args) {        ChongQingCityBase base = ChongQingCityBase.getInstance();        System.out.println(base);    }
}
/** * 重庆市基本信息 * @author lgli */class ChongQingCityBase extends CityBase {
    private static ChongQingCityBase chongQingCityBase;

    private ChongQingCityBase (){
    }
    public static ChongQingCityBase getInstance(){        if(chongQingCityBase == null){            chongQingCityBase = new ChongQingCityBase();        }        return chongQingCityBase;    }
}
/** * 抽象城市基本信息类 */abstract class CityBase{
}


这里先不初始化对象，当调用getInstance方法的时候，才初始化这个对象，同时判断当前对象是否存在，如果存在，则直接返回


这种情况，在单线程的情况下，是没有什么问题的，可是当遇到多个线程并发的时候，就出现问题了：


8b9ebe85a5482dd458063270f4518caf.webp


如上图所示，这里用100个线程模拟并发，出现了多个实例


来看下这个代码：


95d07f33abb835d5230bb5c5655bc54e.webp


分析下，并发的情况下，


当某个线程执行到44行的时候，这个时候chongQingCityBase是null的，此时，线程切换，另外一个线程也走到44行，判断也是为空的，那么这2个线程，均符合if判断，去new一个对象，这时候就出现了多个实例的情况。


那么解决这个问题吧


首先想到的就是加锁吧，首先可能想到把这个实例化方法加锁，这样子肯定是可能满足只产生一个对象的，因为毕竟方法锁的话，多个线程都会等待方法锁的释放才能调用这个方法。


4a9393d18a127ddd9c6cf7952a61da22.webp


如果，实例化方法里面可能还有其他逻辑，这样子暴力加锁肯定不是一个很好的解决方案，


所以只需要在关键的地方加锁：


比如：


d816f5fac58c66ba10446be440612d3a.webp


这里将加锁加到初始化实例对象的地方，然后同样的用多线程去运行下结果，这里为了解决可能因为多线程导致JVM指令重排<JVM中将不影响单线程代码实际效果的指令下，颠倒执行顺序>出错，这里将这个成员变量加上volatile。


5e632b222d1eebe7e9209485d63be2a0.webp



这里可以看见，依然有多个实例的产生，即此种加锁的方式，是存在问题的，可能导致初始化多个对象。


简单分析下原因：


当多个线程同时走过if判断，此时chongQingCityBase是null的，然后进入到加锁的方法，这时候出现的结果就是会有多个对象被实例化了


即：


e8603ae0d2ce3c97180919d490721630.webp



线程1和2在chongQingCityBase为null时，同时进入if判断。




如何解决这个问题呢？



这就是懒汉式加载的双重判断机制，即：


c8ff8aa87e0488d96e72ebee1e12c1fa.webp


这里加了双重的校验，即在加锁的方法内部，也同样执行判断。


此时，看下运行结果<记住这里的volatile关键字，否则也是有可能出现多个实例化对象的，具体原因，后续会说到>：


052a9ccf529ec41d28b19d48be9439eb.webp


此时，实例化的对象就只有一个了，

那么这个地方有个问题就是，这个双重判断外面这个判断的意义是什么呢？


如果没有外面的判断，意味着每次执行方法的时候，都会进去到线程等待的方法，和在方法上加锁没有太大的区别，所以为了性能考虑，加上这个外层判断


内部类单例：


看下面代码：


package com.lgli.create.single.singlev3;

import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;
/** * 单例模式 -- 内部类 * @author lgli */public class Single {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();        for(int i = 0 ; i < 100 ; i++){            executorService.execute(()->{                ChongQingCityBase base = ChongQingCityBase.getInstance();                try {                    Thread.sleep(100);                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }                System.out.println(Thread.currentThread().toString()+base);            });        }
        executorService.shutdown();
    }}


/** * 重庆市基本信息 * @author lgli */class ChongQingCityBase extends CityBase {
    private ChongQingCityBase (){
    }
    public static ChongQingCityBase getInstance(){        return ChongQingCityBaseHolder.CHONGQINGCITYBASE;    }
    private static class ChongQingCityBaseHolder{
        private static final ChongQingCityBase                CHONGQINGCITYBASE = new ChongQingCityBase();    }}
/** * 抽象城市基本信息类 */abstract class CityBase{
}


运行结果，也是只有一个实例的产生，


那么这种静态内部类的实现原理是什么样子的呢？


涉及到JVM类加载的一些逻辑，大致情况是这样子的：


当ChongQingCityBase被加载的时候，会优先加载内部类

ChongQingCityBaseHolder


当有程序调用

com.lgli.create.single.singlev3.ChongQingCityBase#getInstance

方法的时候，

执行

ChongQingCityBaseHolder.CHONGQINGCITYBASE


此时才会去执行内部类的


private static final ChongQingCityBase CHONGQINGCITYBASE = new ChongQingCityBase();


所以这里的内部类方式，其实也属于懒汉式加载



暴力破坏单例-->反射：


有时候，可能一个单例对象，会被人误用反射机制暴力破解，创建出多个实例，这里以为内部类为例，代码指出反射暴力创建对象导致单例失效的情况，其他懒汉/饿汉类似也可以通过此方法破解：


package com.lgli.create.single.breaksingle;

import java.lang.reflect.Constructor;
/** * 反射破坏单例 * @author lgli */public class BreakSingle {
    public static void main(String[] args) throws Exception {        //反射创建对象        //根据对象路径获取类        Class<?> aClass = Class.forName("com.lgli.create.single.breaksingle.ChongQingCityBase");        //获取申明的没有参数的构造方法        Constructor<?> declaredConstructor = aClass.getDeclaredConstructor(null);        //设置强访问        declaredConstructor.setAccessible(true);        //获取实例对象        ChongQingCityBase o = (ChongQingCityBase)declaredConstructor.newInstance();        //正常创建对象        ChongQingCityBase p = ChongQingCityBase.getInstance();        System.out.println(o);        System.out.println(p);        System.out.println(o==p);    }}

/** * 重庆市基本信息 * @author lgli */class ChongQingCityBase extends CityBase {
    private ChongQingCityBase (){
    }
    public static ChongQingCityBase getInstance(){        return ChongQingCityBase.ChongQingCityBaseHolder.CHONGQINGCITYBASE;    }
    /**     * 内部类的单例     */    private static class ChongQingCityBaseHolder{        private static final ChongQingCityBase                CHONGQINGCITYBASE = new ChongQingCityBase();    }}
/** * 抽象城市基本信息类 */abstract class CityBase{
}



运行可以获得两个不同的对象：


f3682c7f90a35095d02afcd43f790ce4.webp


这里可以看到通过反射实例化了一个对象，然后通过正常创建又获取了一个对象。


那么如何规避这个问题呢？




可以在构造方法中加入判断：



比如：


1b9b95969b972d3dbfca2e8d8eae0d03.webp

可以直接在构造方法中，抛出异常，不允许构建实例。


这时候，反射机制构建实例就会抛出异常，只能正常的构建了。


319275715d1b85d06a926fb63ee4aa17.webp


除此之外，还可以通过序列化的方式，破坏单例


暴力破坏单例-->序列化：


看下面代码：


package com.lgli.create.single.breaksinglev2;

import java.io.*;
/** * 序列化破坏单例 * @author lgli */public class SerializableSingle {
    public static void main(String[] args) {        //根据正常构建方法获取的对象        ChongQingCityBase base1 = ChongQingCityBase.getInstance();        //序列化后反序列化的对象        ChongQingCityBase base2 = null;        try{            //序列化对象            FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("../ChongQingCityBase.obj");            ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(fileOutputStream);            objectOutputStream.writeObject(base1);            objectOutputStream.flush();            objectOutputStream.close();            fileOutputStream.close();            //反序列化实例对象            FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("../ChongQingCityBase.obj");            ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(fileInputStream);            base2 = (ChongQingCityBase)objectInputStream.readObject();            fileInputStream.close();            objectInputStream.close();            //对比两个结果对象            System.out.println(base1);            System.out.println(base2);            System.out.println(base1 == base2);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }    }

}
/** * 重庆市基本信息 * @author lgli */class ChongQingCityBase extends CityBase implements Serializable {

    private ChongQingCityBase (){        if(ChongQingCityBase.ChongQingCityBaseHolder.CHONGQINGCITYBASE != null){            throw new RuntimeException("不允许构建多个实例");        }    }
    public static ChongQingCityBase getInstance(){        return ChongQingCityBase.ChongQingCityBaseHolder.CHONGQINGCITYBASE;    }
    /**     * 内部类的单例     */    private static class ChongQingCityBaseHolder{        private static final ChongQingCityBase                CHONGQINGCITYBASE = new ChongQingCityBase();    }}
/** * 抽象城市基本信息类 */abstract class CityBase{
}


运行代码结果输出：


e8395167c7f13b52ad5e556c241e7be8.webp



那么针对这种破坏单例的方法，如何预防呢？


这时候需要在实例中写个方法：


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如上图所示，这里需要写这个readResolve方法，


这时候运行程序：


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显然，这个时候，只获取了一个实例。


那么这个是为啥呢？


这里简单描述下，画个图


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这里是反序列化的时候，调用对象创建方法的源码，在

java.io.ObjectInputStream#readObject0

调用

java.io.ObjectInputStream#readOrdinaryObject

之后，会返回这个创建的对象


那么看下

java.io.ObjectInputStream#readOrdinaryObject

这个方法究竟做了些什么事呢？


private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)        throws IOException    {        if (bin.readByte() != TC_OBJECT) {            throw new InternalError();        }
        ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);        desc.checkDeserialize();
        Class<?> cl = desc.forClass();        if (cl == String.class || cl == Class.class                || cl == ObjectStreamClass.class) {            throw new InvalidClassException("invalid class descriptor");        }
        Object obj;        try {            obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;        } catch (Exception ex) {            throw (IOException) new InvalidClassException(                desc.forClass().getName(),                "unable to create instance").initCause(ex);        }
        passHandle = handles.assign(unshared ? unsharedMarker : obj);        ClassNotFoundException resolveEx = desc.getResolveException();        if (resolveEx != null) {            handles.markException(passHandle, resolveEx);        }
        if (desc.isExternalizable()) {            readExternalData((Externalizable) obj, desc);        } else {            readSerialData(obj, desc);        }
        handles.finish(passHandle);
        if (obj != null &&            handles.lookupException(passHandle) == null &&            desc.hasReadResolveMethod())        {            Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);            if (unshared && rep.getClass().isArray()) {                rep = cloneArray(rep);            }            if (rep != obj) {                // Filter the replacement object                if (rep != null) {                    if (rep.getClass().isArray()) {                        filterCheck(rep.getClass(), Array.getLength(rep));                    } else {                        filterCheck(rep.getClass(), -1);                    }                }                handles.setObject(passHandle, obj = rep);            }        }
        return obj;    }


上面代码是JDK源码，这里主要看关键部分


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这里先判断是否满足isInstantiable()


这个方法其实是判断是否有构造方法的，这里就不往下看了


很明显，是有构造方法的，虽然是private的，但是对JDK来说，这都不重要



然后满足有构造方法，则创建实例对象，这时候创建的实例对象和正常创建的肯定是两回事。所以序列化再反序列化后的对象，肯定不是同一个了，这里就理解到了



再接着看下面的代码：


3a8e7b61222b5c8d3252ff5965a71925.webp


这里紧接着上面的代码走，有一个判断，然后满足判断之后，则调用

java.io.ObjectStreamClass#invokeReadResolve

方法，实例化新的对象出来，


当对象写了readResolve方法后，就满足了这里的if条件，然后会调用对象中的readResolve方法，而我们写的readResolve方法就是返回单例对象，所以这里同样返回了单例对象，覆盖了前面所创建的实例对象：


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所以得到的对象是一个单例对象。



枚举单例-->最牛单例写法


最后介绍一个Java推荐的单例模式的写法，枚举单例


看下代码：



package com.lgli.create.single.singlev4;

import java.io.*;/** * * 枚举单例 * @author lgli */public class Single {

    public static void main(String[] args) {
        //根据正常构建方法获取的对象        EnumSingle base1 = EnumSingle.getInstance();        base1.setObj(ChongQingCityBase.getInstance());        //序列化后反序列化的对象        EnumSingle base2 = null;        try{            //序列化对象            FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("../ChongQingCityBase.obj");            ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(fileOutputStream);            objectOutputStream.writeObject(base1);            objectOutputStream.flush();            objectOutputStream.close();            fileOutputStream.close();            //反序列化实例对象            FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("../ChongQingCityBase.obj");            ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(fileInputStream);            base2 = (EnumSingle)objectInputStream.readObject();            fileInputStream.close();            objectInputStream.close();
            System.out.println(base1.getObj());            //对比两个结果对象            System.out.println(base2.getObj());            System.out.println(base1 == base2);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }


    }}

/** * * 枚举单例 */enum EnumSingle{    INSTANCE;    private Object obj;
    public Object getObj() {        return obj;    }
    public void setObj(Object obj) {        this.obj = obj;    }    public static EnumSingle getInstance(){        return INSTANCE;    }}/** * 重庆市基本信息 * @author lgli */class ChongQingCityBase extends CityBase implements Serializable {
    private ChongQingCityBase (){
    }
    public static ChongQingCityBase getInstance(){        return ChongQingCityBase.ChongQingCityBaseHolder.CHONGQINGCITYBASE;    }
    private static class ChongQingCityBaseHolder{
        private static final ChongQingCityBase                CHONGQINGCITYBASE = new ChongQingCityBase();    }}
/** * 抽象城市基本信息类 */abstract class CityBase{
}


这里，申明了一个枚举，

同时枚举类中有一个成员变量Object，

用来设置初始化的单例对象的



然后先测试下，这里通过序列化破坏单例，是否可以成功，


运行上述代码：


2f33a727b5091b5642155109a072739b.webp


这里，可以很明显的看到，两个对象实例是一样的，即，在通过序列化，同时没有写readResolve方法，依然获得了两个一样的对象，即序列化和反序列化并没有破坏枚举单例。



为何枚举单例可以防止序列化呢？



同样的，看下反序列化时，创建对象的时候，做了些什么事


和前面的逻辑调用图基本一致，只不过在最后一个是调用

java.io.ObjectInputStream#readEnum


源码如下：


d0e2cc08dcf38e2042bc2415c25d0bbf.webp



这里，可以看到返回的对象是通过一个类名，和一个唯一的

名字name，构建了这个返回对象，很显然，在同一个应用中，这是唯一的，

所以构建出来的对象也是唯一的。


那么线程安全么？


这里使用反编译工具，将写的这个枚举单例类反编译出来，这里使用的是JAD，其安装使用就不多说了，记住一点就好，在window环境下，需要把jad.exe放到本机jdk的bin文件下


反编译这个EnumSingle.class


1a5462e486f398df771f600e1e84adf4.webp


在当前目录下生成了一个EnumSingle.jad文件


打开这个文件：


7da71458d69c6b99ae2ce3ff5366ef36.webp


关键位置，如上图后面一个图标识所示，这种方式属于饿汉式单例，所以一定是线程安全的


然后又不能通过反序列化


那么反射呢？


测试下反射，这里使用反射获取构造方法是时候，获取到的应该是带2个参数的构造方法，String和int，上面截图标识有构造方法。


看下代码：


package com.lgli.create.single.singlev4;

import java.io.*;import java.lang.reflect.Constructor;
/** * * 枚举单例 * @author lgli */public class Single {
    public static void main(String[] args) {//        serializableType();        reflectType();    }

    /**     * 反射方式     */    public static void reflectType(){        try{
            Class<?> aClass = Class.forName("com.lgli.create.single.singlev4.EnumSingle");            Constructor<?> declaredConstructor = aClass.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);            declaredConstructor.setAccessible(true);            EnumSingle lgli = (EnumSingle)declaredConstructor.newInstance("lgli", 520);            System.out.println(lgli);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }    }

    /**     * 序列化和反序列化破幻枚举单例方式     */    public static void serializableType(){        //根据正常构建方法获取的对象        EnumSingle base1 = EnumSingle.getInstance();        base1.setObj(ChongQingCityBase.getInstance());
        //序列化后反序列化的对象        EnumSingle base2 = null;        try{            //序列化对象            FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("../ChongQingCityBase.obj");            ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(fileOutputStream);            objectOutputStream.writeObject(base1);            objectOutputStream.flush();            objectOutputStream.close();            fileOutputStream.close();            //反序列化实例对象            FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("../ChongQingCityBase.obj");            ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(fileInputStream);            base2 = (EnumSingle)objectInputStream.readObject();            fileInputStream.close();            objectInputStream.close();
            System.out.println(base1.getObj());            //对比两个结果对象            System.out.println(base2.getObj());            System.out.println(base1 == base2);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }    }

}

/** * * 枚举单例 */enum EnumSingle{
    INSTANCE;    private Object obj;
    public Object getObj() {        return obj;    }
    public void setObj(Object obj) {        this.obj = obj;    }
    public static EnumSingle getInstance(){        return INSTANCE;    }}/** * 重庆市基本信息 * @author lgli */class ChongQingCityBase extends CityBase implements Serializable {
    private ChongQingCityBase (){
    }
    public static ChongQingCityBase getInstance(){        return ChongQingCityBase.ChongQingCityBaseHolder.CHONGQINGCITYBASE;    }
    private static class ChongQingCityBaseHolder{
        private static final ChongQingCityBase                CHONGQINGCITYBASE = new ChongQingCityBase();    }}
/** * 抽象城市基本信息类 */abstract class CityBase{
}


运行测试类，结果报错了：


c2ec1f72f9843b5ffe663fd4beb308ca.webp

程序异常：Cannot reflectively create enum objects


无法通过反射创建枚举对象


。。。。。。


这说明什么呢？说明JDK在从根本上解决了妄图通过反射去构建枚举对象的幻想！


看下

java.lang.reflect.Constructor#newInstance

源码：


70d185e70efc9fc8bc58a6627d8fedac.webp


所以，反射是不可行的。


总结起来，通过枚举创建单例，无论是多线程、序列化、反射都无法改变单例，所以枚举应该是最牛的吧。(#^.^#)


其实还要一种单例，属于线程内单例，但是线程之间不是单例的-->

ThreadLocal


这里就先不详细解释了，后续会说到这个问题



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