JAVA设计模式之单例模式

秋白

发布于 2019-07-02 18:11:35

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发布于 2019-07-02 18:11:35

文章被收录于专栏：java小白

一、概念

java中单例模式是一种常见的设计模式，单例模式的写法有好几种，这里主要介绍三种：懒汉式单例、饿汉式单例。

单例模式有以下特点：

单例模式确保当前系统只有一个实例
单例类必须自己创建自己的唯一实例
单例类必须给其他对象提供这一实例

单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。

二、代码实现

懒汉式单例

//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己 
public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static Singleton single=null;
    //静态工厂方法 
    public static Singleton getInstance() {
         if (single == null) {  
             single = new Singleton();
         }  
        return single;
    }
}

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。）

但是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个Singleton实例，要实现线程安全，有以下方式，都是对getInstance这个方法改造，保证了懒汉式单例的线程安全。

1、getInstance方法上加同步

public static synchronized Singleton getInstance() {
         if (single == null) {  
             single = new Singleton();
         }  
        return single;
}

在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟大多数情况下是不需要同步的。

2、双重检查锁定

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

为什么需要两次if判断呢？

因为在高并发时，两个线程AB都同时进入了第一个if判断，若A抢到了锁，实例化了一个对象，释放锁，然后B在抢到锁。此时如果不做第二次if判断的话，B线程将会再实例化一个对象。

在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗。

但这种双重检查锁定也是不安全的，不安全在这行代码上，singleton=new Singleton()，这一行代码可以分解为三行伪代码

memory=allocate();        //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory)      //2: 初始化对象
instance=memory;          //3：设置instance指向刚分配的内存地址

上面的3行伪代码中，第二行和第三行可能会被重排序(在一些JIT编译器上，这种重排序是真实发生的)。2和3重排序之后的执行时序如下。

memory=allocate();        //1：分配对象的内存空间
instance=memory;          //2：设置instance指向刚分配的内存地址
ctorInstance(memory)      //3: 初始化对象

产生不安全的例子如下

多线程执行时序表

时间	线程A	线程B
t1	A1：分配对象的内存空间
t2	A3:设置instance指向内存空间
t3		B1:判断instance是否为空
t4		B2:由于instance不为null,线程B将访问instance引用对象
t5	A2:初始化对象
t6	A4：访问instance引用对象

3、基于volatile的单例

public class SafeDoubleCheckedLocking{
        private volatile static Instance instance;
        
        public static Instance getInstance(){
            if(instance==null){
                synchonized(SafeDoubleCheckedLocking.class){
                    //instance为volatile，这个操作具有原子性。不会导致重排序
                    instance=new Instance();
                }
            }
            return   instance;          
        }
}

4、基于类初始化的单例

原理：JVM在类的初始化阶段(即在Class被加载后，且被线程使用之前)，会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，JVM会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。

public class InstanceFactory{
    private static class InstanceHolder{
        public static Instance instance=new Instance();
    }
    
    public static Instance getInstance(){
        return InstanceHolder.instance();//这里将导致InstanceHolder类被初始化.
    }
}

JVM在类初始化期间会获取这个初始化锁，并且每个线程至少获取一次锁来确保这个类已经被初始化了。

5、饿汉式单例

//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化   
public class Singleton1 {  
    private Singleton1() {}  
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();  
    //静态工厂方法   
    public static Singleton1 getInstance() {  
        return single;  
    }  
}

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。