设计模式之单例模式

Posted 2020-12-18 mrcharleshu

目录

• 一、概念
• 二、饿汉式实现
• 三、懒汉式实现一
• 四、懒汉式实现二
  • 1、双重判断
  • 2、指令重排
  • 3、可见性
• 五、懒汉式实现三
  • 1、加载时机
  • 2、线程安全

一、概念

JVM中，单例对象只有一个实例存在。

二、饿汉式实现

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

最简单的实现方式，但是如果对象的构造耗费时间，可能采用懒汉式更好。

三、懒汉式实现一

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

也是很简单粗暴的懒汉式实现方式，每次获取单例的时候都需要获取排他锁，效率差。

四、懒汉式实现二

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

1、双重判断

• 第一次判断是防止实例化完毕后的无效同步处理
• 如果没有第二次校验，假设线程t1执行了第一次校验后，判断为null，这时t2也获取了CPU执行权，也执行了第一次校验，判断也为null。接下来t2获得锁，创建实例。这时t1又获得CPU执行权，由于之前已经进行了第一次校验，结果为null（不会再次判断），获得锁后，直接创建实例。结果就会导致创建多个实例。所以需要在同步代码里面进行第二次校验，如果实例为空，则进行创建。

2、指令重排

指令重排序是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。
也就是说，JVM为了执行效率会将指令进行重新排序，但是这种重新排序不会对单线程程序产生影响。

由于instance = new Singleton();操作并不是一个原子性指令，会被分为多个指令：

memory = allocate();  //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
instance = memory;    //3：设置instance指向刚分配的内存地址

但是经过重排序后如下：

memory = allocate();  //1：分配对象的内存空间
instance = memory;    //3：设置instance指向刚分配的内存地址，此时对象还没被初始化
ctorInstance(memory); //2：初始化对象

3、可见性

instance需要加volatile关键字，否则会出现错误。问题的原因在于JVM指令重排优化的存在。在某个线程创建单例对象时，在构造方法被调用之前，就为该对象分配了内存空间（空白内存）并将分配的内存地址赋值给instance字段了，然而该对象可能还没有初始化。若紧接着另外一个线程来调用getInstance，取到的就是状态不正确的对象，程序就会出错。

五、懒汉式实现三

public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instance = new Singleton();

        private SingletonHolder(){
        }
    }

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

1、加载时机

内部静态类是要在有引用了以后才会装载到内存的，所以在你第一次调用getInstance()之前，SingletonHolder是没有被装载进来的，只有在你第一次调用了getInstance()之后，里面涉及到了return SingletonHolder.instance; 产生了对SingletonHolder的引用，内部静态类的实例才会真正装载。这也就是懒加载的意思。

遇到new、getstatic、putstatic、或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化，生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候，读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。

2、线程安全

虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，只到活动线程执行()方法完毕。