java单例模式和线程安全问题怎么解决

这篇文章主要介绍“java单例模式和线程安全问题怎么解决”的相关知识，小编通过实际案例向大家展示操作过程，操作方法简单快捷，实用性强，希望这篇“java单例模式和线程安全问题怎么解决”文章能帮助大家解决问题。

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;}@Overridepublic 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;}@Overridepublic 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();}@Overridepublic 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 - 1if (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;}@Overridepublic 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。

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