单例模式使用饿汉式和懒汉式创建一定安全？很多人不知

2022 年 8 月 3 日
筆記

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;
        }
    }

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();

第二种测试： 比对创建多个对象，然后多个对象的Hashvalue

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());
        }
    }

测试下来，三个对象的hash值是一样的。如下图：

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;

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;
        }
    }

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();
            //});
        }
    }

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();
        }
    }

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;
        }        
    }

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());
        }
    }

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;

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;
        }
       
    }

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());
        }
    }

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;
        }
       
    }

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;
        }

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());
        }

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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