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java单例模式

java单例模式

作者: 水欣 | 来源:发表于2018-03-07 17:42 被阅读0次

    定义

    一个类只有一个实例,自行实例化并提供给整个系统

    基本思路

    将该类构造函数私有化,并通过静态方法获取一个唯一实例,获取过程保证线程安全

    懒汉式线程不安全写法

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

    假设有A、B线程同时调用getInstance方法,在分水岭同时执行完判断后,有CPU时间片切换,假设A线程得到执行权,继续向下执行,实例化了对象,此时instance不为空,而B线程又做了实例化工作,就会导致实例不唯一。

    懒汉式线程安全

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

    在getInstance()方法前加上synchronized,使整个方法同步,就可以保证线程安全,避免多实例的问题,但是这样并不高效,因为在第一次调用getInstance()方法后,instance不为空,之后再调用该方法就要走同步,这样会消耗不必要的资源。

    Double Check Lock(双重检验锁)

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

    这里为啥要做两次检验呢?我们先来看下,如果去掉第一层检验会怎样

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

    当有两个线程同时调用getInstance()方法时,由于同步机制的存在,假设此时A线程得到CPU的执行权,走到同步块中执行,执行了instance = new Singleton()后,退出同步语句块,此时instance已经不为null了,这时候B线程获得CPU执行权也进入同步块,就会被instance == null的判断挡在外面了。所以就算不要第一层检验也是可以实现多线程安全的单例,那为毛还要写?原来这里涉及到性能问题,上面懒汉式线程安全的写法也是安全的,但是每次调用都要走同步会影响性能,这里也一样。我们希望这里的new Singleton()只执行一次,如果少了第一层的判断,每次有线程进入getInstance()时,均会执行锁定操作来实现线程同步,这是非常耗费性能的,而多了第一层检验,只要第一次instance==null会执行锁定操作,之后的调用直接return instance就行。
    再看如果少了第二层检验,其实这就跟第一种懒汉式线程不安全写法一样,在多线程并发的情况下不能达到保持单例的效果。
    那么双重检验机制是否就能完美解决问题?其实不然,其原因在于instance == new Singleton();这句并非是个原子操作,当JVM执行到这一句时,分别作了如下操作:

    1. 在堆中为instance 分配内存
    2. 调用Singleton的构造函数初始化成员变量
    3. 将instance对象执行分配的内存空间(执行完这步instance就为非null了)
      如果上面的操作按1-2-3顺序执行,那就没啥问题,但是由于JVM的即时编译器中存在指令重排序的优化,上面的操作有可能是1-3-2。这会出现啥情况?
    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {        //p2                 
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {                
                    instance = new Singleton(); //p1
                }
            }
        }
        return instance ;
      }
    

    假设线程A此时走到p1处,JVM按照1-3-2的顺序实例化instance,才执行完1-3,来不及执行2,线程B获得了CPU执行权也调用了getInstance()方法,并走到p2处,此时instance不为null,线程B就屁颠屁颠拿着得到的实例回去干活了,但是里头的成员变量还没初始化,这就尴尬了,报错也就理所当然了。
    要解决这问题只要把instance设置成volatile,禁止重排序优化,以上面的例子,不管是1-2-2还是1-3-2,读取必须在操作完全执行完后才能进行。

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

    然而java5以前的版本使用volatile还是有问题,也不能完全避免重排序。

    恶汉式

    public class Singleton {
    
        private static Singleton instance = new Singleton();
    
        private Singleton() {
        }
    
        public static Singleton getInstance() {
            return instance;
        }
        
    }
    
    

    由于instance被static和final修饰,在该类第一次被加载到内存中时就会对instance实例化,这样保证了单例。缺点是就算其他地方没有调用getInstance()方法,也会创建实例。

    静态内部类

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

    静态内部类就比较好的弥补了恶汉式单例不足,也是比较推崇的写法。

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