单例模式

栋先生

发布于 2018-09-29 08:46:41

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代码可运行

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代码可运行

单例模式是常见的一种设计模式，本文就来总结一下单例模式的几种写法。

一、饿汉式

所谓饿汉式单例设计模式，就是将类的静态实例作为该类的一个成员变量，也就是说在JVM 加载它的时候就已经创建了该类的实例，因此它不会存在多线程的安全问题。

/**
 * 饿汉式版单例模式的实现
 */
public class Singleton {
    public static final Singleton instance = new Singleton();

    public Singleton() {
        //empty
    }

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

此种写法唯一的缺点就是：不支持懒加载（lazy initialization），存在两个缺点。

缺点一：饿汉式提前对实例进行了初始化或者说构造，假设构造该类需要很多的性能消耗，如果代码写成这个样子将会提前完成构造，又假设我们在系统运行过程中压根就没有对该实例进行使用，那岂不是很浪费系统的资源呢？
缺点二：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。

二、懒汉式

所谓懒汉式单例模式的意思就是，实例虽然作为该类的一个实例变量，但是它不主动进行创建，如果你不使用它那么它将会永远不被创建，只有你在第一次使用它的时候才会被创建，并且得到保持。

/**
 * 懒汉式版单例模式的实现
 */
public class Singleton {
    public static Singleton instance;

    public Singleton() {
        //empty
    }

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

上述代码就是传统懒汉式实现的方式，如果我们对于多线程有一点了解，会发现上述代码存在着线程安全问题。在多线程的情况下，instance实例存在着可能被创建多次的情况。下面就来分析一下出现线程安全问题的情况：

懒汉式出现线程安全问题

假设有①、②两个线程同时在获取这个instance，则有可能出现如上图中所示的这种情况。也就是当①线程执行完了null == instance但未创建Instance实例时，恰巧cpu执行时间到了，①线程让出了cpu的执行权。于是②线程也进入到了null == instance中，判断到了instance没有被创建，因此分别实例化了一个以上的Instance。这样的单例类是很危险的，那么我们应该如何避免多线程引起的问题呢？请看下面的单例模式的实现代码。

三、同步方法版懒汉式

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

/**
 * 同步方法版懒汉式，使用synchronized在getInstance方法上加锁
 */
public class Singleton {
    public static Singleton instance;

    public Singleton() {
        //empty
    }

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

但是该方法的效率将是相当低下的，因为每一次调用都要获取锁，判断锁的状态，使得getInstance()方法完全变成了一个串行化的方法。因此就会出现解决了安全问题，带来了很大的效率问题。我们怎么能在解决线程安全问题的同时，尽可能的提高程序的效率呢？请看下面的代码。

四、双重校验锁

双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁，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。代码如下所示：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        //---
    }

    //double check
    public static Singleton getInstance() {

        if (null == instance) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (null == instance)
                    instance = new Singleton();
            }
        }

        return Singleton.instance;
    }
}

让我们分析一下，上述双重校验锁模式是如何将效率的损耗降到最低的。

如上图所示，当①线程进入到如图所示位置，判断Instance为null，并且初始化了Instance；②线程进入到如图所示位置，判断null==instance条件不成立，直接退出；当③线程进入到了如图所示位置发现null==instance不成立，则直接返回。通过上述代码的分析，我们可以发现，锁的等待或者争抢最多发生两次，也就是同步代码块中的代码最多被执行两次，如此一来，安全问题解决了，效率问题也被解决掉了。

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题，可能会出现空指针异常。主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情(具体可以参考:JVM之对象的创建)。

给 instance 分配内存
调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance。如果我们在这个时候使用instead，就会顺理成章地报错。那么怎么解决这种情况呢，我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了！

4.1 volatile版双重校验锁

public class Singleton {

    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
        //
    }

    //double check add volatile
    public static Singleton getInstance() {

        if (null == instance) {
            synchronized (SingletonObject4.class) {
                if (null == instance)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return Singleton.instance;
    }
}

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。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。

五、静态内部类版单例模式

public class Singleton {

    private Singleton() {

    }

    private static class InstanceHolder {
        private final static Singleton instance = new Singleton();
    }

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

这种方式比较完美，它具有以下的优点： 1. 使用JVM本身机制保证了线程安全的问题； 2. 由于InstanceHolder是私有的，除了getInstance()之外没有办法访问它，因此它是懒汉式； 3. 读取实例的时候不会进行同步，可以保证线程安全。不需要加锁，没有性能缺陷。也不依赖 JDK 版本。

六、枚举Enum版单例模式

public class Singleton {
    private Singleton() {

    }

    private enum Singleton {
        INSTANCE;

        private final Singleton instance;

        Singleton() {
            instance = new Singleton();
        }

        public Singleton getInstance() {
            return instance;
        }
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return Singleton.INSTANCE.getInstance();
    }

    public static void main(String[] args) {
        IntStream.rangeClosed(1, 100)
                .forEach(i -> new Thread(String.valueOf(i)) {
                    @Override
                    public void run() {
                        System.out.println(Singleton.getInstance());
                    }
                }.start());
    }
}

我们可以通过Singleton.INSTANCE.getInstance()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导致重新创建新的对象。但是还是很少看到有人这样写，可能是因为不太熟悉吧。