单例模式 (饿汉懒汉)

Posted 2022-01-02 一朵花花

单例模式

• • 定义
  • 单例模式的实现
  • • 饿汉模式
    • 懒汉模式
    • 线程安全问题分析：
    • 如何解决线程安全问题？？
    • • 关键点总结

定义

单例模式，是一种常见的"设计模式"

设计模式： 设计模式是一套经过反复使用的代码设计经验，目的是为了重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性

单例模式，场景： 代码中，有些概念，不应该存在多个实例，此时应该使用单例模式来解决
例： mysql JDBC中，第一步就是创建一个 DataSourse 对象，DataSourse 对象，在一个程序中只有一个实例，不应该实例化多份DataSourse 对象
可以用单例模式来解决这种场景，保证指定的类只有一个实例 (若尝试创建多个实例，直接编译就会报错)

单例模式的实现

饿汉模式

类加载的同时，创建实例
(只要类被加载，就会立刻实例化 Singleton 实例)

代码：

public class ThreadDemo22 
    /*
     *  饿汉模式 单例实现
     *  "饿" —— 只要类被加载，实例就会立刻被创建 (实例创建的时机比较早)
     * */
    static class Singleton
        // 把构造方法变成私有的，此时在该类的外部就无法 new 这个类的实例了
        private Singleton()

        
        // 再来创建一个 static 的成员，表示 Singleton 类唯一的实例
        // static 成员 和类相关，和实例是无关的
        // 类在内存中只有一份，static 成员也只有一份
        private static Singleton instance = new Singleton();
        public static Singleton getInstance()
            return instance;
        
    

    public static void main(String[] args) 
        // 此处 new 可以，是因为 Singleton 是 ThreadDemo22 的内部类，
        // ThreadDemo 是可以访问 内部类的 private 成员的
        Singleton s = new Singleton();
        
        // 此处的 getInstance 就是获取该类实例的唯一方式，不应该使用其他方式来创建实例
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    

输出结果：

懒汉模式

当类被加载的时候，不会立刻实例化
等到第一次使用这个实例的时候，再实例化

public class ThreadDemo23 
    /*
    * 懒汉模式
    * */
    static class Singleton
        private Singleton() 

        
        // 类加载的时候，没有立刻实例化
        // 第一次调用 getInstance 时，才真正的实例化
        private static Singleton instance = null;

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

类加载的时候，没有立刻实例化；第一次调用 getInstance 时，才真正的实例化

若代码，一直没有调用 getInstance，此时实例化的过程也就被省略掉了 —— 延时加载
一般认为，“懒汉模式” 比 “饿汉模式” 的效率更高~
原因： 懒汉模式有很大的可能是 “实例是用不到”，此时就节省了实例化的开销

线程安全问题分析：

思考： “饿汉模式” 和 “懒汉模式”，哪个是线程安全的？？？
(线程安全：假设多个线程并发的调用 getInstance 方法，是否会导致逻辑错误)

啥样的情况会导致线程不安全？？？

在线程安全问题，我们提到有以下原因：

• 线程是抢占式执行的
• 修改操作不是原子的
• 多个线程尝试修改同一个变量(单例模式常出现)
• 内存可见性
• 指令重排序

饿汉模式—线程安全；
懒汉模式—线程不安全

分析：
1.饿汉模式：
实例化时机是在类加载的时候，而类加载只有一次机会，不可能并发执行
当多线程并发的调用 getInstance 时，由于 getInstance 里只做了一件事：读取 instance 实例的地址，相当于多个线程在同时读取同一个变量；因此，饿汉模式是线程安全的

2.懒汉模式：
多线程同时调用 getInstance 时，getInstance 中做了四件事：①读取 instance 的内容；②判断是否为null；③若 instance 为 null，就 new 实例；④返回实例的地址
当 new 实例的时候，就会修改 instance 的值

画图分析：

懒汉模式，后续调用 getInstance 都不会触发线程安全问题，只有在第一次实例化的时候，多线程并发调用 getInstance 时，会有线程不安全问题的风险

如何解决线程安全问题？？

那么，如何改进 懒汉模式，让代码变成线程安全的？？？

方法1— 加锁 synchronized

• 改法1

这样写，读取判断操作，和new 修改操作 仍然不是原子的，故这样修改不可行！！

private static Singleton instance = null;

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

• 改法2

这么加是可以保证原子性的

private static Singleton instance = null;

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

上述改法，虽然解决了线程不安全的问题，但仍然会问题 — 效率问题，

画图分析：

• 改法3

private static Singleton instance = null;

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

画图和改法2 差不多，只不过 return 操作是在释放锁内部来完成的
由于 return 只是在读，所以这个操作放到锁里边或者锁外边不影响结果

虽然改法2 和 改法3 都可行，但是改法2 的锁粒度更小，改法3 的锁粒度更大
锁的粒度： 锁中包含的代码越多，就认为锁粒度越大
一般，我们希望锁的粒度小一点更好，因为锁的粒度越大，说明这段代码的并发能力就越受限

方法2 — 双重 if

由于加锁是为了避免第一次创建实例时线程不安全，后面在进行加锁解锁操作都只会降低性能，所以外层再添加 if 判断，当发现其为空时才加锁，否则直接返回已经创建好的实例对象，减少了加锁解锁的次数，从而提高性能

private static Singleton instance = null;

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

画图分析：

• 实例化之前：

此处有多个读操作，可能会被编译器优化：只有第一次读，才从内存中读，后续的读就是从CPU中读取寄存器(上次读到的结果)
这样就可能导致线程1 修改之后，线程2 没有读到最新的值

• 实例化之后：
  

为了改进上述可能出现的编译器优化的问题，再添加 volatile

方法3 — volatile

private volatile static Singleton instance = null;

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

懒汉模式的最终优化结果：

static class Singleton 
    private Singleton() 

    

    //创建static成员变量，标识Singleton类的唯一实例,为避免内存可见性问题，添加volatile
    private volatile static Singleton instance = null;

    public static Singleton getInstance() 
        // 加锁是为了避免第一个创建实例时线程不安全，后面在进行加锁解锁操作都只会降低性能
        if (instance == null) 
            
            //如果为空，说明实例还未存在(即第一次使用)，则创建实例
            //加锁，确保判断为空和 new对象两个操作 成为原子操作
            synchronized (Singleton.class) 
                if (instance == null) 
                    instance = new Singleton();
                
            
        
        return instance;
    

关键点总结

1.加锁 — 保证线程安全
2.双重 if — 保证效率
3.volatile — 避免内存可见性引发的问题

以上三点缺一不可