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标题: 单例模式使用饿汉式和懒汉式创建一定安全？很多人不知 [打印本页]

作者: 宁睿 时间: 2022-9-16 17:12
标题: 单例模式使用饿汉式和懒汉式创建一定安全？很多人不知
概述

单例模式大概是23种设计模式里面用的最多，也用的最普遍的了,也是很多很多人一问设计模式都有哪些必答的第一种了；我们先复习一下饿汉式和懒汉式的单例模式，再谈其创建方式会带来什么问题，并一一解决！还是老规矩，先上代码，不上代码，纸上谈兵咱把握不住。
饿汉式代码

public class SingleHungry
{
private readonly static SingleHungry _singleHungry = new SingleHungry();
private SingleHungry()
{
}
public static SingleHungry GetSingleHungry()
{
return _singleHungry;
}
}

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代码很简单，意思也很明确，接着我们写点代码测试验证一下；
第一种测试：构造函数私有的，new的时候报错，因为我们的构造函数是私有的。

SingleHungry _singleHungry=new SingleHungry();

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第二种测试：比对创建多个对象，然后多个对象的Hashvalue

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public class SingleHungryTest
{
public static void FactTestHashCodeIsSame()
{
Console.WriteLine("单例模式.饿汉式测试!");
var single1 = SingleHungry.GetSingleHungry();
var single2 = SingleHungry.GetSingleHungry();
var single3 = SingleHungry.GetSingleHungry();
Console.WriteLine(single1.GetHashCode());
Console.WriteLine(single2.GetHashCode());
Console.WriteLine(single3.GetHashCode());
}
}

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测试下来，三个对象的hash值是一样的。如下图： <img src="https://img2022.cnblogs.com/blog/1046844/202208/1046844-20220803161551708-1324606779.png" alt="">

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饿汉式结论总结

饿汉式的单例模式不推荐使用，因为还没调用，对象就已经创建，造成资源的浪费;

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懒汉式代码

public class SingleLayMan
{
//1、私有化构造函数
private SingleLayMan()
{
}
//2、声明静态字段存储我们唯一的对象实例
private static SingleLayMan _singleLayMan;
//通过方法创建实例并返回
public static SingleLayMan GetSingleLayMan1()
{
//这种方式不可用会创建多个对象，谨记
return _singleLayMan = new SingleLayMan();
}
/// <summary>
///懒汉式单例模式只有在调用方法时才会去创建，不会造成资源的浪费
/// </summary>
/// <returns></returns>
public static SingleLayMan GetSingleLayMan2()
{
if (_singleLayMan == null)
{
Console.WriteLine("我被创建了一次！");
_singleLayMan = new SingleLayMan();
}
return _singleLayMan;
}
}

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测试代码

public class SingleLayManTest
{
/// <summary>
/// 会创建多个对象.hash值不一样
/// </summary>
public static void FactTest()
{
Console.WriteLine("单例模式.懒汉式测试!");
var singleLayMan1 = SingleLayMan.GetSingleLayMan1();
var singleLayMan2 = SingleLayMan.GetSingleLayMan1();
Console.WriteLine(singleLayMan1.GetHashCode());
Console.WriteLine(singleLayMan2.GetHashCode());
}
/// <summary>
/// 单例模式.懒汉式测试：懒汉式单例模式只有在调用方法时才会去创建，不会造成资源的浪费,但会有线程安全问题
/// </summary>
public static void FactTest1()
{
Console.WriteLine("单例模式.懒汉式测试!");
var singleLayMan1 = SingleLayMan.GetSingleLayMan2();
var singleLayMan2 = SingleLayMan.GetSingleLayMan2();
Console.WriteLine(singleLayMan1.GetHashCode());
Console.WriteLine(singleLayMan2.GetHashCode());
}
/// <summary>
/// 单例模式.懒汉式多线程环境测试!
/// </summary>
public static void FactTest2()
{
Console.WriteLine("单例模式.懒汉式多线程环境测试!");
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
new Thread(() =>
{
SingleLayMan.GetSingleLayMan2();
}).Start();
}
//Parallel.For(0, 10, d => {
// SingleLayMan.GetSingleLayMan2();
//});
}
}

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懒汉式结论总结

懒汉式的代码如上已经概述，上面GetSingleLayMan1()会创建多个对象，这个没什么好说的，肯定不推荐使用；GetSingleLayMan2()是大多数人经常使用的，可解决刚才因为饿汉式创建带来的缺点，但也带来了多线程的问题，如果不考虑多线程，那是够用了。
话说回来，既然刚才饿汉式和懒汉式各有其优缺点，那我们该如何抉择呢？到底选择哪一种？
其它方式创建单例—饿汉式+静态内部类

public class SingleHungry2
{
public static SingleHungry2 GetSingleHungry()
{
return InnerClass._singleHungry;
}
public static class InnerClass
{
public readonly static SingleHungry2 _singleHungry = new SingleHungry2();
}
}

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这个代码，用了饿汉式结合静态内部类来创建单例，线程也安全，不失为创建单例的一种办法。
其它方式创建单例—懒汉式+反射

首先我们解决一下刚才懒汉式创建单例的线程安全问题，上代码：

/// <summary>
/// 通过反射破坏创建对象
/// </summary>
public class SingleLayMan1
{
//私有化构造函数
private SingleLayMan1()
{
}
//2、声明静态字段存储我们唯一的对象实例
private static SingleLayMan1? _singleLayMan;
private static object _oj = new object(); /// <summary>
/// //解决多线程安全问题，双重锁定，减少系统消耗，节约资源
/// </summary>
public static SingleLayMan1 GetSingleLayMan()
{
if (_singleLayMan == null)
{
lock (_oj)
{
if (_singleLayMan == null)
{
_singleLayMan = new SingleLayMan1();
Console.WriteLine("我被创建了一次！");
}
}
}
return _singleLayMan;
}
}

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具体描述，在代码里面已经说得足够清楚，一看肯定明白，我们还是写点测试代码，验证一下，上代码：

public class SingleLayManTest1
{
public static void FactTestReflection()
{
var singleLayMan1= SingleLayMan1.GetSingleLayMan();
var type = Type.GetType("_01单例模式.反射破坏单例模式.SingleLayMan1");
//获取私有的构造函数
var ctors = type?.GetConstructors(System.Reflection.BindingFlags.Instance | System.Reflection.BindingFlags.NonPublic);
//执行构造函数
SingleLayMan1 singleLayMan = (SingleLayMan1)ctors[0].Invoke(null);
Console.WriteLine(singleLayMan1.GetHashCode());
Console.WriteLine(singleLayMan.GetHashCode());
}
}

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上面的代码分别通过SingleLayMan1.GetSingleLayMan2()和反射创建对象，输出二者对象hash值比较，结果肯定是不一样的，重点是我们可以通过反射创建对象。
通过上面的代码，不知道大家有没有意识到我们虽通过加锁解决了线程安全问题，但仍会出现问题；正常创建对象的顺序是：
1、new 在内存中开辟空间
2、执行构造函数创建对象
3、把空间指向我们的对像
但如果因为我们的程序使用多线程，则会发生"指令重排",本应执行顺序为1、2、3，实际执行顺序为1、3、2,但这种情况很少，不过我们写程序嘛，肯定追求严谨一点准没错。
如果需要解决该问题需要给定义的私有局部变量加关键字加上volatile (意思不稳定的，可变的) ,加该关键字可以避免指令重排。具体代码主要是这句如下：

private volatile static SingleLayMan? _singleLayMan;

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到这里，大家认为还有没有问题？答案是肯定的，不然我就不会写这篇文章了，通过反射既然可以创建对象，那么我们写的创建实例代码还有什么意义，有没有什么办法避免反射创建对象呢？
如果认真看了之前的反射创建对象代码，肯定发现反射是通过构造函数来创建对象的，那么我们相应的就在构造函数处理一下。来，我们继续上代码：

/// <summary>
/// 解决反射创建对象的问题
/// </summary>
public class SingleLayMan3
{
//2、声明静态字段存储我们唯一的对象实例
private volatile static SingleLayMan3? _singleLayMan;
private static object _oj = new object();
//私有化构造函数
private SingleLayMan3()
{
lock (_oj)
{
if (_singleLayMan != null)
{
throw new Exception("不要通过反射来创建对像！");
}
}
}
/// <summary>
/// //解决多线程安全问题，双重锁定，减少系统消耗，节约资源
/// </summary>
public static SingleLayMan3 GetSingleLayMan()
{
if (_singleLayMan == null)
{
lock (_oj)
{
if (_singleLayMan == null)
{
_singleLayMan = new SingleLayMan3();
Console.WriteLine("我被创建了一次！");
}
}
}
return _singleLayMan;
}
}

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下面继续上测试代码，验证一下：

public class SingleLayManTest3
{
/// <summary>
/// 第一次通过调用 SingleLayMan3.GetSingleLayMan()创建对象导致_singleLayMan不为空，之后再去通过反射创建对象时，构造函数里面判断创建对象导致_singleLayMan变量，报异常
/// </summary>
public static void FactTestReflection()
{
var singleLayMan1= SingleLayMan3.GetSingleLayMan();
var type = Type.GetType("_01单例模式.反射破坏单例模式.SingleLayMan3");
//获取私有的构造函数
var ctors = type?.GetConstructors(System.Reflection.BindingFlags.Instance | System.Reflection.BindingFlags.NonPublic);
//执行构造函数
SingleLayMan3 singleLayMan = (SingleLayMan3)ctors[0].Invoke(null);
Console.WriteLine(singleLayMan1.GetHashCode());
Console.WriteLine(singleLayMan.GetHashCode());
}
}

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结论其实测试方法已经说明：第一次通过调用 SingleLayMan3.GetSingleLayMan()创建对象导致_singleLayMan不为空，之后再去通过反射创建对象时，构造函数里面判断创建对象导致_singleLayMan变量，报异常。
其实到这里，有人肯定发现了问题，第一次通过去执行自己写的创建单例方法来创建对象，后面再执行反射时才会报异常，那有没有什么办法，只要有人第一次反射创建对象时就报异常呢？
定义局部变量解决反射创建对象问题

public class SingleLayMan4
{
//2、声明静态字段存储我们唯一的对象实例
private volatile static SingleLayMan4? _singleLayMan;
private static object _oj = new object();
private static bool _isOk = false;
//私有化构造函数
private SingleLayMan4()
{
lock (_oj)
{
if (_isOk == false)
{
_isOk = true;
}
else
{
throw new Exception("不要通过反射来创建对像！只有第一次通过反射创建对象会成功！请做第一个吃葡萄的人！");
}
}
}
/// <summary>
/// //解决多线程安全问题，双重锁定，减少系统消耗，节约资源
/// </summary>
public static SingleLayMan4 GetSingleLayMan()
{
if (_singleLayMan == null)
{
lock (_oj)
{
if (_singleLayMan == null)
{
_singleLayMan = new SingleLayMan4();
Console.WriteLine("我被创建了一次！");
}
}
}
return _singleLayMan;
}
}

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测试代码，验证一下：

public static void FactTestReflection()
{
//第一次创建对象会成功
var singleLayMan1 = GetReflectionSingleLayMan4Instance();
//第二次创建对象会失败，报异常
var singleLayMan2 = GetReflectionSingleLayMan4Instance();
Console.WriteLine(singleLayMan1.GetHashCode());
}
private static SingleLayMan4 GetReflectionSingleLayMan4Instance()
{
var type = Type.GetType("_01单例模式.反射破坏单例模式.SingleLayMan4");
//获取私有的构造函数
var ctors = type?.GetConstructors(BindingFlags.Instance | BindingFlags.NonPublic);
//执行构造函数
SingleLayMan4 singleLayMan = (SingleLayMan4)ctors[0].Invoke(null);
return singleLayMan;
}

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第一次创建对象会成功，因为执行构造函数时没有执行GetSingleLayMan()，跨过了new，导致_isOk赋值true，第二次反射创建执行构造函数时判断变量_isOk为true，走入异常逻辑。
但这样做真的就安全了吗？既然可以通过反射执行构造函数来创建对象，那也可以通过反射改变局部变量_isOk 的值，上代码：

/// <summary>
/// 通过反射也可以改变局部变量_isOk的值,继续创建对象
/// </summary>
public static void FactTestReflection2()
{
Type type = Type.GetType("_01单例模式.反射破坏单例模式.SingleLayMan4");
//获取私有的构造函数
var ctors = type?.GetConstructors(BindingFlags.Instance | BindingFlags.NonPublic);
//执行构造函数
SingleLayMan4 singleLayMan1 = (SingleLayMan4)ctors[0].Invoke(null);
FieldInfo fieldInfo = type.GetField("_isOk", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Static);
fieldInfo.SetValue("_isOk", false);
SingleLayMan4 singleLayMan2 = (SingleLayMan4)ctors[0].Invoke(null);
Console.WriteLine(singleLayMan1.GetHashCode());
Console.WriteLine(singleLayMan2.GetHashCode());
}

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最后

大家或许发现了，只要有反射存在，哪怕你的逻辑写的再严谨，它仍然可以反射创建对象，只因为它是反射！所以，单例模式的安全性也是相对而言的，具体选择用哪个，取决项目的业务场景了。如有发现问题，欢迎不吝赐教！
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