第三梦 单例模式

Posted 2020-11-14 yrml

初识单例

单例模式，算是我们代码中经常遇见的设计模式之一了。当然我们也上手很快，但是其中的坑也不少，不好好研究一下，这些坑还真不好跳过去。单例简单分分别为懒汉模式、饿汉模式，那我们就从懒汉模式开始吧。

懒汉模式（线程非安全）

这里定义一个私有的全局变量singletonPattern，然后通过一个公有的静态方法对singletonPattern进行判空，如果为空，就new一个类对象出来，然后返回该对象。该种方式可以实现类对象在使用的时候才创建，也就是延时加载。

 1 public class SingletonPattern {
 2 
 3     private static SingletonPattern singletonPattern = null;
 4 
 5     private SingletonPattern() {
 6     }
 7 
 8     public static SingletonPattern getInstance(){
 9         // if这里存在竞态条件
10         if(singletonPattern == null){
11             singletonPattern = new SingletonPattern();
12         }
13         return singletonPattern;
14     }
15 }

懒汉模式（线程安全、低效）

一种比较简单的方式，是同步获取实例化的方法getInstance()，也就是加上synchronized关键字。当然这种方式是非常低效的（jdk后面的版本对synchronized关键字段的底层代码做了很强的优化，所以也不是不可以考虑），具体如下：

 1 public class SingletonPattern {
 2 
 3     private static SingletonPattern singletonPattern = null;
 4 
 5     private SingletonPattern() {
 6     }
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 8     public static synchronized SingletonPattern getInstance(){
 9         if(singletonPattern == null){
10             singletonPattern = new SingletonPattern();
11         }
12         return singletonPattern;
13     }
14 }

 懒汉模式（线程安全、高效）

1、双重锁校验DCL（半成品，问题代码，面试考点），注意看下面罗列的四步。

 1 public class SingletonPatternDcl {
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 3   private static SingletonPatternDcl singletonPatternDcl = null;
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 5   private SingletonPatternDcl() {
 6   }
 7 
 8   public static SingletonPatternDcl getInstance(){
 9     if(singletonPatternDcl == null){                         //1、在实例化的情况下，不需要执行加锁动作，性能提高
10       synchronized (SingletonPatternDcl.class){              //2、对类上锁，多个线程的情况下，只有一个线程能够创建对象
11         if(singletonPatternDcl == null){                     //3、实例化对象为空的情况下创建对象
12           singletonPatternDcl = new SingletonPatternDcl();   //4、创建对象
13         }
14       }
15     }
16     return singletonPatternDcl;
17   }
18 }

2、完美的DCL。上面的DCl看起来是非常完美的，所有的逻辑都考虑到了，但是上面的第四步singletonPatternDcl = new SingletonPatternDcl()创建对象的过程其实并非是一个原子操作，这就导致了问题的产生。我们来分析一下第四步在JVM中具体做了哪些事情：

• a、给singletonPatternDcl分配内存空间
• b、调用SingletonPatternDcl的构造函数来初始化该成员变量
• c、将singletonPatternDcl对象指向a步骤分配的内存空间（这一步执行完之后，singletonPatternDcl就为非null了）

而在JVM的即时编译器中存在指令重排序的优化，如果c步骤在b步骤之前执行的话：b执行了，singletonPatternDcl不为空了，第二个线程来了，发现singletonPatternDcl已经不为null了，然后直接返回。但是其实这个时候singletonPatternDcl只是一个内存地址，根本还没有初始化，程序就理所当然的报错了。解决的方法很简单，基于volatile解决方案，如下所示：

   private static volatile SingletonPatternDcl singletonPatternDcl = null;                                                                       

volatile的特性禁止指令重排序，保证了上述a、b、c一定会按着abc的顺序执行，也就避免了上述产生问题的场景。

 饿汉模式（天然的线程安全）

利用类加载的机制，我们可以在类一开始加载的时候就初始化一个实例对象。缺点是无法实现懒加载，并且在某些需要使用动态参数的情况下无法使用。

 1 public class SingletonPatternSafe {
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 3   private static SingletonPatternSafe singletonPatternSafe = new SingletonPatternSafe();
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 5   private SingletonPatternSafe() {
 6   }
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 8   public SingletonPatternSafe getInstance() {
 9     return singletonPatternSafe;
10   }
11 }

这里加上final也是可以的

private static final SingletonPatternSafe singletonPatternSafe = new SingletonPatternSafe();

静态内部类（天然的线程安全）

这种方式的单例实现，也是基于JVM本身机制保证了线程安全。其内部类Holder只有getInstance()方法可以访问。读取的实例的时候也不需要进行同步，没有性能的损失。

 1 public class SingletonPatternHolder {
 2 
 3   private static class Holder {
 4     private static final SingletonPatternHolder INSTANCE = new SingletonPatternHolder();
 5   }
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 7   private SingletonPatternHolder() {
 8   }
 9 
10   public static SingletonPatternHolder getInstance(){
11     return Holder.INSTANCE;     //懒汉式的，只有访问getInstance()方法的时候才实例化
12   }
13 
14 }

枚举方式（绝对的线程安全）

枚举实现单例模式有三个特性：自由序列化、线程安全、保证单例。

• enum的实现是通过继承了Enum类来实现的，enum结构不能作为子类来继承其他类，但是可以用来实现接口类；
• 由于enum内部的实现方式其实是final类型的，所以enum类不可以被继承；
• enum有且仅有private构造器，防止外部的额外构造，这恰好和单例模式相符合；
• 其内部也是枚举量未被初始化，之后会在静态代码中进行初始化，这就非常类似饿汉模式；
• 对于序列化和反序列化，因为每一个枚举类型和枚举变量在JVM中都是唯一的，所以Java在序列化和反序列化枚举时做了特殊规定，枚举的writeObject、readObject、readReplace和readResolve等方式是被编译器禁止的，因此不存在实现序列化接口之后调用readObject会重新创建的心得对象从而破坏单例的问题。

基于上述描述，我们发现enum的方式来构造单例模式，代码实现起来非常的简单、自由序列化。并且也是线程的安全，相比起来应该更优选择

1 public enum  SingletonPatternEnum {
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3   /**
4    * 实例化对象
5    */
6   INATANCE
7 }

代码实例

我的代码放在GitHub，小伙伴可以作为一个参考、

参考博文

• Java枚举enum以及应用：枚举实现单例模式
• 如何正确地写出单例模式
• 死磕Java并发：Java内存模型之从JMM角度分析DCL

SingletonPattern、我们平常用到的一个设计模式，有必要深入学习，掌握精髓，在实战中灵活运用。感谢前辈们的分享做为引路人。-------书山有路、人儿需行<<