详谈单例饿汉和懒汉模式

Posted 2022-01-12 yuxiang1

一、基本概念

单例模式属于创建型设计模式。

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

实现: 使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

二、结构

类图:

 

 

 

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

三、几类经典单例模式实现

1、懒汉式-线程不安全

下面的实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ，并且此时 uniqueInstance == null，那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致实例化多次 uniqueInstance。

// 懒汉式: 线程不安全
// 有延迟加载: 不是在类加载的时候就创建了，而是在调用newStance()的时候才会创建

public class Singleton 

    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton()

    

    public static Singleton newInstance()
        if(uniqueInstance == null)
            uniqueInstance = new Singleton();
        return uniqueInstance;
    

 

2、懒汉式-线程安全-性能不好

为了解决上面的问题，我们可以直接在newInstance()方法上面直接加上一把synchronized同步锁。那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了实例化多次 uniqueInstance。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，即使 uniqueInstance已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长，因此该方法有性能问题，不推荐使用。

public static synchronized Singleton newInstance()//在上面的基础上加了synchronized
    if(uniqueInstance == null)
        uniqueInstance = new Singleton();
    return uniqueInstance;

 

3、饿汉式-线程安全-无延迟加载

饿汉式就是 : 采取直接实例化 uniqueInstance 的方式，这样就不会产生线程不安全问题。

这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象(丢失了延迟实例化(lazy loading)带来的节约资源的好处)。

它基于 classloader机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazyloading 的效果。

public class Singleton 

    // 急切的创建了uniqueInstance, 所以叫饿汉式
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton()
    

    public static Singleton newInstance()
        return uniqueInstance;
    

    // 瞎写一个静态方法。这里想说的是，如果我们只是要调用 Singleton.getStr(...)，
    // 本来是不想要生成 Singleton 实例的，不过没办法，已经生成了
    public static String getStr(String str) return "hello" + str;

 

4、双重校验锁-线程安全

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

// 双重加锁
public class Singleton 

    // 和饿汉模式相比，这边不需要先实例化出来
    // 注意这里的 volatile，使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行
    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() 
    

    public static Singleton newInstance() 
        if (uniqueInstance == null) 
            synchronized (Singleton.class) 
                // 这一次判断也是必须的，不然会有并发问题
                if (uniqueInstance == null) 
                    uniqueInstance = new Singleton();
                
            
        
        return uniqueInstance;
    

 

注意，内层的第二次if (uniqueInstance == null) 也是必须的，如果不加: 也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton();这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句。

volatile 关键字修饰也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

• 1)、为 uniqueInstance 分配内存空间；
• 2)、初始化 uniqueInstance；
• 3)、将 uniqueInstance 指向分配的内存地址；

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 newInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

5、静态内部类实现

当 Singleton 类加载时，静态内部类 Holder 没有被加载进内存。只有当调用 newInstance()方法从而触发 Holder.uniqueInstance 时 Holder 才会被加载，此时初始化 uniqueInstance实例，并且 JVM 能确保 uniqueInstance只被实例化一次。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。

这种方式是 Singleton 类被装载了，uniqueInstance 不一定被初始化。因为 Holders 类没有被主动使用，只有通过显式调用 newInstance() 方法时，才会显式装载 Holder 类，从而实例化 uniqueInstance。

public class Singleton 

    private Singleton() 
    

    // 主要是使用了 嵌套类可以访问外部类的静态属性和静态方法 的特性
    // 很多人都会把这个嵌套类说成是静态内部类，严格地说，内部类和嵌套类是不一样的，它们能访问的外部类权限也是不一样的。
    private static class Holder 
        private static final Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    
    public static Singleton newInstance() 
        return Holder.uniqueInstance;
    

 

6、枚举实现

这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。

该实现在多次序列化再进行反序列化之后，不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient修饰所有字段，并且实现序列化和反序列化的方法。

枚举实现单例 (+测试):

public class Singleton 

    private Singleton() 

    

    public static Singleton newInstance() 
        return Sing.INSTANCE.newInstance();
    

    private enum Sing 

        INSTANCE;

        private Singleton singleton;

        //jvm guarantee only run once
        Sing() 
            singleton = new Singleton();
        

        public Singleton newInstance() 
            return singleton;
        
    

    public static int clientTotal = 1000;

    public static int threadTotal = 200;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

        Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);

        Set<Singleton>set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());//注意set也要加锁

        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) 
            executorService.execute(() -> 
                try 
                    semaphore.acquire();

                    set.add(Singleton.newInstance());

                    semaphore.release();
                 catch (Exception e) 

                
                countDownLatch.countDown();
            );
        
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();

        System.out.println(set.size());//1
    

 

关于序列化和反序列化:

public enum Singleton 

    INSTANCE;

    private String name;

    public String getName() 
        return name;
    

    public void setName(String name) 
        this.name = name;
    

 

测试:

public class Test 

    public static void main(String[] args)
        // 单例测试
        Singleton s1 = Singleton.INSTANCE;
        s1.setName("firstName");
        System.out.println("s1.getName(): " + s1.getName());

        Singleton s2 = Singleton.INSTANCE;
        s2.setName("secondName");

        //注意我这里输出s1 ，但是已经变成了 secondName
        System.out.println("s1.getName(): " + s1.getName());
        System.out.println("s2.getName(): " + s2.getName());

        System.out.println("-----------------");

        // 反射获取实例测试
        Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
        for (Singleton enumConstant : enumConstants)
            System.out.println(enumConstant.getName());
    

 

输出:

s1.getName(): firstName
s1.getName(): secondName
s2.getName(): secondName
-----------------
secondName

 

该实现可以防止反射攻击。在其它实现中，通过 setAccessible()(反射中的强制访问私有属性方法) 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。

四、总结

一般情况下，不建议使用懒汉方式，建议使用饿汉方式。

只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用静态内部类方式。

如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用枚举方式。

如果有其他特殊的需求，可以考虑使用双检锁方式。

 

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