设计模式之单例设计模式

Posted 2020-11-14 gdy1993

设计模式之单例设计模式

　　单例模式的实现目标就是保证一个类有且仅有一个实例，当然这也是有前提的，就是由同一个ClassLoader加载的这个类有且仅有一个对象，如果这里类由不同的ClassLoader加载，则会产生多个对象。

　　（一） 单线程下的单例设计模式

　　（1）饿汉式　　

public class Singleton {
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    //构造函数私有化
    private Singleton() {
        
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

　　（2）懒汉式

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    //构造函数私有化
    private Singleton() {
        
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if(null == instance) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

　　（二）多线程下的单例设计模式

　　在多线程环境下，饿汉式单例模式是线程安全的。但懒汉式单例模式getInstance()的if语句形成了一个if-then-act操作，它并不是一个原子操作，因此可能引发线程安全问题，创建多个对象，破坏单例性。

　　很容易让我们想到的是，采用同步（synchronized）的方式加锁，保证线程安全，如下所示：

/**
 * 基于简单加锁的单例模式实现
 * @author Administrator
 *
 */
public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    //构造函数私有化
    private Singleton() {
        
    }
    public static Singleton getInstance() {
        synchronized(Singleton.class) {
            if(instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

　　这种方法的单例模式固然是线程安全的，但是每个线程在执行getInstance()方法时，都必须申请锁，增加了系统的开销，降低了效率，而我们需要的仅仅是第一次创建对象时加锁即可，之后所有线程可并发获得该对象。于是我们采用双重检查锁定的方式实现单例模式：

/**
 * 基于双重检查锁定的单例模式实现（错误代码）
 * @author Administrator
 *
 */
public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    //构造函数私有化
    private Singleton() {
        
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if(null == instance) {//第一次判断用于判断对象是否被已经初始化，当对象已经初始化时，直接返回对象，避免锁的申请
            synchronized(Singleton.class) {
                if(instance == null) {//第二次判断用来避免创建多个对象
                    instance = new Singleton();//语句①
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

　　看似这种做法很巧妙解决了多线程环境下的单例模式的安全问题。其实不然，上述代码中的语句①可分解为三个子操作，分配对象所需的内存空间（子操作①）、初始化对象（子操作②）和将对象引用传入栈内的变量。想象一下这样一个场景，线程t1通过了第一次null == instance的判断，线程t1持有锁进行了第二次判断，此时线程t1进入了临界区，根据临界区重排序规则：临界区内的代码运行被重排序，因此，子操作③可能排在了子操作②之前，因此当线程t1执行到操作③时，由于此时操作②并没有执行，因此instance对象并没有初始化完成，但是instance以不为空，就在此时，线程t2执行了第一次null==instance判断，随然instance并未初始化完成，但以不是 null，所以直接返回给线程t2 instance对象，这样线程t2调用instance对象时就可能产生未知的错误。所以上述代码是不正确的。

　　需要将instance变量的采用volatile修饰，禁止其写操作与该操作之前的任何读、写操作进行重排序，因此，用volatile修饰instance相当于禁止了子操作②（对对象进行初始化的写操作）重拍到子操作③（对对象引用写入共享变量的子操作）之前，保证了线程读到的instance都是初始化完成的instance。

/**
 * 基于双重检查锁定的单例模式实现（正确实现）
 * @author Administrator
 *
 */
public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance = null;//保障有序性
    //构造函数私有化
    private Singleton() {
        
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if(null == instance) {//第一次判断用于判断对象是否被已经初始化，当对象已经初始化时，直接返回对象，避免锁的申请
            synchronized(Singleton.class) {
                if(instance == null) {//第二次判断用来避免创建多个对象
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

　　考虑到双重检测锁定法实现上容易出错，我们选择另外一种可以延迟加载的单例模式：基于静态内部类的单例模式。

　　静态内部类只有在初次访问时才会触发虚拟机对该类进行初始化，因此SingletonInstanceHolder.INSTANCE会初始化静态内部类 

/**
 * 基于静态内部类的单例模式实现
 * @author Administrator
 *
 */
public class Singleton {
    //构造函数私有化
    private Singleton() {
        
    }
    
    private static class SingletonInstanceHolder {
        private final static Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstanceHolder.INSTANCE;
    }
}

　　也可通过枚举来实现线程安全的单例模式：

public enum Singleton {
    INSTANCE;//为单例对象
    
    Singleton() {
        
    }
    
    public void doSomething() {
        
    }
}