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java设计模式-单例模式详解

什么是单例模式

(1)定义

作为对象的创建模式,单例模式确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。这个类称为单例类。

(2)特点

  1. 单例类只能有一个实例。
  2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

创建单例模式的几种方式

(1)懒汉式,线程不安全

懒汉式其实是一种比较形象的称谓。既然懒,那么在创建对象实例的时候就不着急。会一直等到马上要使用对象实例的时候才会创建,懒人嘛,总是推脱不开的时候才会真正去执行工作,因此在装载对象的时候不创建对象实例。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton (){}

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

这段代码简单明了,而且使用了懒加载模式,但是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候,就会创建多个实例。也就是说在多线程下不能正常工作。

(2)懒汉式,线程安全

为了解决上面线程不安全的问题,最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步(synchronized)。

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

虽然做到了线程安全,并且解决了多实例的问题,但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要,即第一次创建单例实例对象时。这就引出了双重检验锁。

(3)双重检查锁

双重检验锁模式(double checked locking pattern),是一种使用同步块加锁的方法。称其为双重检查锁,因为会有两次检查 instance == null,一次是在同步块外,一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次?因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if,如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile
    private Singleton (){}

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

我们在定义instance时, 增加了volatile关键字, 它的作用是什么呢? 不加可不可以?

这里就要先从计算机指令讲起, CPU和编译器为了提升程序的执行效率, 通常会按照一定的规则对指令进行优化, 如果两条指令互不依赖, 有可能它们执行的顺序并不是源代码编写的顺序。

正常情况下 instance = new Instance()这代码可以分成三步:

1.分配对象内存空间(既给新创建的Instance对象分配内存)。
2.初始化对象(调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量)。
3.设置instance指向刚刚分配的内存地址, 此时instance != null (重点)。

因为2 3步不存在数据上的依赖关系, 即在单线程的情况下, 无论2和3谁先执行, 都不影响最终的结果, 所以在程序编译时, 有可能它的顺序就变成了:

1.分配对象内存空间。
2.设置instance指向刚刚分配的内存地址, 此时instance != null (重点)。
3.初始化对象。

但是,CPU和编译器在指令重排时,并不会关心是否影响多线程的执行结果。在不加volatile关键字时,如果有多个线程访问getInstance方法,此时正好发生了指令重排,那么可能出现如下情况:

当第一个线程拿到锁并且进入到第二个if方法后,先分配对象内存空间,然后再instance指向刚刚分配的内存地址,instance 已经不等于null,但此时instance还没有初始化完成。如果这个时候又有一个线程来调用getInstance方法,在第一个if的判断结果就为false,于是直接返回还没有初始化完成的instance,那么就很有可能产生异常。

有些人认为使用 volatile 的原因是可见性,也就是可以保证线程在本地不会存有 instance 的副本,每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用 volatile 的主要原因是其另一个特性:禁止指令重排序优化。也就是说,在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障(生成的汇编代码上),读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子,取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后,不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。

相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式,当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

(4)饿汉式 static final field

饿汉式其实是一种比较形象的称谓。既然饿,那么在创建对象实例的时候就比较着急,饿了嘛,于是在装载类的时候就创建对象实例。这种方法非常简单,因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了,在第一次加载类到内存中时就会初始化,所以创建实例本身是线程安全的。

public class Singleton{
    //类加载时就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

缺点是它不是一种懒加载模式(lazy initialization),单例会在加载类后一开始就被初始化,即使客户端没有调用 getInstance()方法。 

饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用:譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的,在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它,那样这种单例写法就无法使用了。

(5)静态内部类 static nested class

这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE; 
    }  
}

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题。由于静态单例对象没有作为Singleton的成员变量直接实例化,因此类加载时不会实例化Singleton,第一次调用getInstance()时将加载内部类SingletonHolder,在该内部类中定义了一个static类型的变量INSTANCE ,此时会首先初始化这个成员变量,由Java虚拟机来保证其线程安全性,确保该成员变量只能初始化一次。由于getInstance()方法没有任何线程锁定,因此其性能不会造成任何影响。

由于 SingletonHolder 是私有的,除了 getInstance() 之外没有办法访问它,因此它是懒汉式的;同时读取实例的时候不会进行同步,没有性能缺陷;也不依赖 JDK 版本。

(6)枚举 Enum

用枚举写单例实在太简单了!这也是它最大的优点。

public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}

我们可以通过EasySingleton.INSTANCE来访问实例,这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的,所以不需要担心double checked locking,而且还能防止反序列化、反射导致重新创建新的对象

总结

一般来说,单例模式有五种写法:懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举。上述所说都是线程安全的实现,上文中第一种方式线程不安全,排除。

一般情况下直接使用饿汉式就好了,如果明确要求要懒加载(lazy initialization)倾向于使用静态内部类。如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。

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