单例模式正确使用方式

Posted 2021-05-01 编程之艺术

最近事情比较多，更新的有点慢了，各位大佬请见谅啊！

使用Java做程序的小伙伴都知道单例，尤其是使用spring框架做项目的，大家都知道spring框架管理类默认都是单例模式的，并且是线程安全的。那么如果保证一个类只被初始化一次且线程安全了？带着这个问题我们开始这篇文章。

在刚接触设计模式的时候，大多数人首先接触到的第一个设计模式就是单例模式，当然大多数人都只停留在单例模式，在平时的开发中用的少之又少，这篇文章会帮助大家从多个方面理解单例模式，此文代码较多，如果对单例模式概念不是很清楚的小伙伴可以看另一篇文章《设计模式之单例模式》。

1. 懒汉模式

package com.study.concurrency.base_concurrency.example.singleton;
/** * <p>Title: Singleton01</p > * <p>Description: 懒汉模式 单例实例在第一次使用时进行创建 </p > * <p>Company: http://www.yinjiedu.com</p > * <p>Project: concurrency</p > * * @author: qiwei * @Date: 2019/8/20 22:41 * @Version: 1.0 */public class Singleton01 {
 private Singleton01() {
 }
 //单例对象 private static Singleton01 instance = null;
 /** * @description: 静态的工厂方法 * @auther: qiwei * @date: 2019/8/20 22:43 * @return: Singleton01 */ public static Singleton01 getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton01(); } return instance; }}

上述代码在单线程下是没有问题的，但是在多线程情况下是线程不安全的，出现问题的代码主要是在下面这段代码：

if (instance == null) {      instance = new Singleton01(); }

多个线程在同时获取instance的时候，会出现多个实例对象被new出来。

2. 饿汉模式

为了解决上面懒汉模式线程不安全问题，我们可以使用饿汉模式创建类实例。饿汉模式是单例实例在类装载时进行创建，代码如下：

package com.study.concurrency.base_concurrency.example.singleton;
/** * <p>Title: Singleton02</p > * <p>Description: 饿汉模式</p > * <p>Company: http://www.yinjiedu.com</p > * <p>Project: concurrency</p > * * @author: qiwei * @Date: 2019/8/20 22:53 * @Version: 1.0 */public class Singleton02 {
 private Singleton02() { }
 //单例对象 private static Singleton02 instance = new Singleton02();
 /** * @description: 静态的工厂方法 * @auther: qiwei * @date: 2019/8/20 22:55 * @return: Singleton02 */ public static Singleton02 getInstance() { return instance; }}

饿汉模式问题：

饿汉模式虽然是线程安全的，但是在实际开发中，会有一些大家需要注意的问题。

第一点：饿汉模式是在类装载的时候就创建的，所以如果类的构造方法里面很多复杂的处理，类装载就会比较慢，影响程序性能；

第二点：饿汉模式创建的示例，不管在项目其他地方有没有使用，类的实例已经创建，如果不使用，会造成资源的浪费。

基于以上两点，大家在使用饿汉模式的时候需要注意实际的使用场景。

3. 懒汉模式之线程安全

我们看到在使用懒汉模式创建实例时是线程不安全的，这里我们使用同步锁的方式，让懒汉模式也是线程安全的，代码如下：

package com.study.concurrency.base_concurrency.example.singleton;
/** * <p>Title: Singleton01</p > * <p>Description: 懒汉模式 </p > * <p>Company: http://www.yinjiedu.com</p > * <p>Project: concurrency</p > * * @author: qiwei * @Date: 2019/8/20 22:41 * @Version: 1.0 */public class Singleton03 {
 private Singleton03() {
 }
 //单例对象 private static Singleton03 instance = null;
 /** * @description: 静态的工厂方法 * @auther: qiwei * @date: 2019/8/20 22:43 * @return: Singleton01 */ public static synchronized Singleton03 getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton03(); } return instance; }}

这里我们使用了synchronized关键字保证了线程安全，但是在实际开发中不要这样写，因为synchronized会带来比较严重的性能开销。

4. 懒汉模式之双重同步锁模式（线程不安全）

使用双重同步锁实现单例模式，代码如下：

package com.study.concurrency.base_concurrency.example.singleton;
/** * <p>Title: Singleton01</p > * <p>Description: 懒汉模式 </p > * <p>Company: http://www.yinjiedu.com</p > * <p>Project: concurrency</p > * * @author: qiwei * @Date: 2019/8/20 22:41 * @Version: 1.0 */public class Singleton04 {
 private Singleton04() {
 }
 //单例对象 private static Singleton04 instance = null;
 /** * @description: 静态的工厂方法 * @auther: qiwei * @date: 2019/8/20 22:43 * @return: Singleton01 */ public static  Singleton04 getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton04.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton04(); } } } return instance; }}

上面代码在synchronized这里启用了双重检测机制，但是这种写法在多线程情况下也是线程不安全的，这个原因是JVM和CPU在的指令重排；这里简单的介绍一下什么是计算机指令：

Java实例化一个对象时，主要经历下面三步指令：

第一步：分配对象内存空间

第二步：初始化对象

第三步：设置instance指向刚分配的内存

知道了上面步骤，我们知道一旦在多线程情况下发生了指令重排，就会出现安全问题，例如上面的步骤123变成132 。

5. 懒汉模式之双重同步锁模式（线程安全）

使用第四种方式创建单例也是线程不安全的，要想使第四个例子线程安全，我们需要使用到一个关键字：volatile。

代码如下：

package com.study.concurrency.base_concurrency.example.singleton;
/** * <p>Title: Singleton01</p > * <p>Description: 懒汉模式 </p > * <p>Company: http://www.yinjiedu.com</p > * <p>Project: concurrency</p > * * @author: qiwei * @Date: 2019/8/20 22:41 * @Version: 1.0 */public class Singleton05 {
 private Singleton05() {
 }
 //单例对象 private volatile static Singleton05 instance = null;
 /** * @description: 静态的工厂方法 * @auther: qiwei * @date: 2019/8/20 22:43 * @return: Singleton01 */ public static synchronized Singleton05 getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton05.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton05(); } } } return instance; }}

volatile可以禁止指令重排，所以上面方式是线程安全的。volatile使用场景主要是：状态标示量、双重检测。

6. 饿汉模式之静态域实现（错误写法）

饿汉模式第一种实现使用了直接初始化方式，这里我们可以使用静态域实现，这也是在平时开发中比较常见的一种方式，但是这里有一个坑，先埋给大家，代码如下：

package com.study.concurrency.base_concurrency.example.singleton;
/** * <p>Title: Singleton02</p > * <p>Description: 饿汉模式</p > * <p>Company: http://www.yinjiedu.com</p > * <p>Project: concurrency</p > * * @author: qiwei * @Date: 2019/8/20 22:53 * @Version: 1.0 */public class Singleton06 {
 private Singleton06() {
 }
 static { instance = new Singleton06(); } //单例对象 private static Singleton06 instance = null;
 /** * @description: 静态的工厂方法 * @auther: qiwei * @date: 2019/8/20 22:55 * @return: Singleton02 */ public static Singleton06 getInstance() { return instance; }}

上面静态域单例模式是有问题的，大家想想有什么问题，在最后我们再讨论，大家也可以debug调试找找问题。

7. 单例模式之枚举创建

在前面集中创建单例的例子中，我们接触了懒汉模式、饿汉模式。个人认为不管是懒汉模式还是饿汉模式，都不是最好的方案，这里我推荐使用枚举类创建单例，既保证了线程安全的需求，又保证了资源不被浪费。代码实现如下：

package com.study.concurrency.base_concurrency.example.singleton;
/** * <p>Title: Singleton01</p > * <p>Description: 枚举模式 </p > * <p>Company: http://www.yinjiedu.com</p > * <p>Project: concurrency</p > * * @author: qiwei * @Date: 2019/8/20 22:41 * @Version: 1.0 */public class Singleton07 {
 //私有构造函数 private Singleton07() {
 }
 //单例对象 private static Singleton07 instance = null;

 public static Singleton07 getInstance() { return Singleton.INSTANCE.getInstance(); }
 private enum Singleton { INSTANCE;
 private Singleton07 singleton;
 Singleton() { singleton = new Singleton07(); }
 public Singleton07 getInstance() { return singleton; } }}

上面代码，在使用枚举构造方法的时候JVM保证这个方法绝对只调用一次，个人推荐这种创建单例的模式。

解决6：饿汉模式之静态域实现问题

第六种饿汉模式创建单例的方式，主要是因为代码位置问题引起的，正确写法是把下面两段代码交换位置：

private static Singleton06 instance = null;

static {    instance = new Singleton06();}

这是在使用静态域时候特别容易犯的错误，希望大家注意。

关于单例模式的分享就到这里，不足之处希望大家提出来，我会及时修正。