单例模式

Posted 2021-03-01 spp123

人生在世，谁不面试。单例模式：一个搞懂不加分，不搞懂减分的知识点

又一篇一抓一大把的博文，可是你真的的搞懂了吗？点开看看。。事后，你也来一篇。

单例模式是面试中非常喜欢问的了，我们往往自认为已经完全理解了，没什么问题了。但要把它手写出来的时候，可能出现各种小错误，下面是我总结的快速准确的写出单例模式的方法。

单例模式有各种写法，什么「双重检锁法」、什么「饿汉式」、什么「饱汉式」，总是记不住、分不清。这就对了，人的记忆力是有限的，我们应该记的是最基本的单例模式怎么写。

单例模式：一个类有且只能有一个对象（实例）。单例模式的 3 个要点：

1. 外部不能通过 new 关键字（构造函数）的方式新建实例，所以构造函数为私有：private Singleton(){}
2. 只能通过类方法获取实例，所以获取实例的方法为公有、且为静态：public static Singleton getInstance()
3. 实例只能有一个，那只能作为类变量的「数据」，类变量为静态 （另一种记忆：静态方法只能使用静态变量）：private static Singleton instance

一、最基础、最简单的写法

类加载的时候就新建实例

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

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    
    public void show(){
        System.out.println("Singleon using static initialization in Java");
    }
}

// Here is how to access this Singleton class
Singleton.getInstance().show();

当执行 Singleton.getInstance() 时，类加载器加载 Singleton.class 进虚拟机，虚拟机在方法区（元数据区）为类变量分配一块内存，并赋值为空。再执行 <client>() 方法，新建实例指向类变量 instance。这个过程在类加载阶段执行，并由虚拟机保证线程安全。所以执行 getInstance() 前，实例就已经存在，所以 getInstance() 是线程安全的。

很多博文说 instance 还需要声明为 final，其实不用。final 的作用在于不可变，使引用 instance 不能指向另一个实例，这里用不上。当然，加上也没问题。

这个写法有一个不足之处，就是如果需要通过参数设置实例，则无法做到。举个栗子：

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

    private Singleton() {
    }

    // 不能设置 name！
    public static Singleton getInstance(String name) {
        return instance;
    }
    
    public void show(){
        System.out.println("Singleon using static initialization in Java");
    }
}

// Here is how to access this Singleton class
Singleton.getInstance(String name).show();

二、可通过参数设置实例的写法

考虑到这种情况，就在调用 getInstance() 方法时，再新建实例。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private String name;

    private Singleton(String name) {
        this.name = name;
    }

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

    public String show() {
        return name;
    }
}

Singleton.getInstance(String name).show();

这里加了 synchronized 关键字，能保证只会生成一个实例，但效率不高。因为实例创建成功后，再获取实例时就不用加锁了。

当不加 synchronized 时，会发生什么：

instance 是类的变量，类存放在方法区（元数据区），元数据区线程共享，所以类变量 instance 线程共享，类变量也是在主内存中。线程执行 getInstance() 时，在自己工作内存新建一个栈帧，将主内存的 instance 拷贝到工作内存。多个线程并发访问时，都认为 instance == null，就将新建多个实例，那单例模式就不是单例模式了。

三、改良版加锁的写法

实现只在创建的时候加锁，获取时不加锁。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

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

为什么要判断两次：

多个线程将 instance 拷贝进工作内存，即多个线程读取到 instance == null，虽然每次只有一个线程进入 synchronized 方法，当进入线程成功新建了实例，synchronized 保证了可见性（在 unlock 操作前将变量写回了主内存），此时 instance 不等于 null 了，但其他线程已经执行到 synchronized 这里了，某个线程就又会进入 synchronized 方法，如果不判断一次，又会再次新建一个实例。

为什么要用 volatile 修饰 instance：

synchronized 可以实现原子性、可见性、有序性。其中实现原子性：一次只有一个线程执行同步块的代码。但计算机为了提升运行效率，会指令重排序。

代码 instance = new Singleton(); 会被拆为 3 步执行。

• A：分配一块内存空间
• B：在内存空间位置新建一个实例
• C：将引用指向实例，即，引用存放实例的内存空间地址

如果 instance 都在 synchronized 里面，那么没啥问题，问题出现在 instance 在 synchronized 外边，因为此时外边一群饿狼（线程），就在等待一个 instance 这块肉不为 null。

模拟一下指令重排序的出错场景：多线程环境下，正好一个线程，在同步块中按 ACB 执行，执行到 AC 时（并将 instance 写回了主内存），另一个线程执行第一个判断时，认为 instance 不为空，返回 instance，但此时 instance 还没被正确初始化，所以出错。

当 instance 被 volatile 修饰时，只有 ACB 执行完了之后，其他线程才能读取 instance

为什么 volatile 能禁止指令重排序：它在 ACB 后添加一个 lock 指令，lock 指令之前的操作执行完成后，后面的操作才能执行

你可能认为上面的解释太复杂，不好理解。对，确实比较复杂，我也搞了很久才搞明白。你可以看看这个是不是更好理解，Java 虚拟机规范的其中一条先行发生原则：对 volatile 修饰的变量，读操作，必须等写操作完成。

四、其他非主流写法

枚举写法：

public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}

当面试官让我写一个单例模式，我总是觉得写这个好像有点另类

静态内部类写法：

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

五、小结

单例模式主要为了节省内存开销，Spring 容器的 Bean 就是通过单例模式创建出来的。

单例模式没写出来，那也没啥事，因为那下一个问题你也不一定能答出来 ??。

六、延伸阅读

• 如何正确写出单例模式
• How to create thread safe Singleton in Java
• Why Enum Singleton are better in Java
• On design patterns: When should I use the singleton?