Singleton 单例模式 设计模式 Single

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简介

作用：保证类只有一个实例；提供一个全局访问点

JDK中的案例：

java.lang.Runtime#getRuntime()

单例模式的几种方式

饿汉式：简单安全，但浪费资源

• 优点：以空间换时间。因为静态变量会在类加载时初始化，此时不会涉及多个线程对象访问该对象的问题，虚拟机保证只会加载一次该类，肯定不会发生并发访问的问题，因此，可以省略 synchronized 关键字。
• 问题：如果只是加载本类，而不调用 getInstance()，甚至永远都不调用，则会造成资源浪费！

class Single {
    private static Single SINGLETON = new Single();//类加载的时候会连带着创建实例

    private Single() {
        System.out.println("创建了实例");
    }

    public static Single getInstance() {
        return SINGLETON;
    }
}

懒汉式

简单懒汉式：高效，但不安全

• 优点：以时间换空间。延时加载，懒加载，用的时候才加载，不会像饿汉式那样可能造成资源浪费！
• 问题：在多线程环境下存在风险

class Single {
    private static Single SINGLETON;

    private Single() {
        System.out.println("创建了实例");
    }

    public static Single getInstance() {
        if (SINGLETON == null) SINGLETON = new Single();
        return SINGLETON;
    }
}

线程安全问题出现场景

如果两个线程A和B同时调用了该方法，然后以如下方式执行：

• A进入if判断，此时 instance 为 null，因此进入if内
• B进入if判断，此时A还没有创建 instance，因此 instance 也为 null，因此B也进入if内
• A创建了一个instance并返回
• 虽然此时 instance 不为 null，但因为B已经进入了if判断，所以B也会创建一个instance并返回
• 此时问题出现了，我们的单例被创建了两次！

验证测试代码

验证逻辑很简单，首先在单例的构造方法中打印一条日志，然后我们创建几十上百个线程，并发的去调用单例模式的getInstance()方法，通过日志打印来判断到底执行了几次构造方法，依次来验证此种单例模式是否是安全的。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                Single.getInstance();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
    }
}

经过测试，这种场景下多次创建Single实例并非是小概率事件，反而是大概率事件！

加同步锁方式：性能差

以上问题最直观的解决办法就是给getInstance方法加上一个synchronize锁，这样每次只允许一个线程调用getInstance方法：

class Single {
    private static Single SINGLETON;

    private Single() {
        System.out.println("创建了实例");
    }

    public static synchronized Single getInstance() {
        if (SINGLETON == null) SINGLETON = new Single();
        return SINGLETON;
    }
}

这种解决办法的确可以防止错误的出现，但是它却很影响性能：每次调用getInstance方法的时候都必须获得Singleton.class锁！

而实际上，仅仅在创建实例时有线程安全问题，而当单例实例被创建以后，其后的请求没有必要再使用互斥机制了。

双重检查加锁模式：高效且安全

基本形式

目前大量人使用的都是这个double-checked locking的解决方案：

class Single {
    private static Single SINGLETON; //没添加【volatile】关键字之前

    private Single() {
        System.out.println("创建了实例");
    }

    public static Single getInstance() {
        if (SINGLETON == null) { //目的是为了提高性能，避免非必要加锁
            synchronized (Single.class) { //加锁保证现场安全
                if (SINGLETON == null) SINGLETON = new Single(); //避免重复创建实例
            }
        }
        return SINGLETON;
    }
}

让我们来看一下这个代码是如何工作的：

• 当一个线程调用getInstance()方法后，首先会先检查SINGLETON是否为null，如果不是则直接返回其内容，这样避免了进入synchronized块所需要花费的资源。
• 其次，即使上面提到的情况发生了，即两个线程同时进入了第一个if判断，那么他们也必须按照顺序执行synchronized块中的代码，第一个进入代码块的线程会创建一个新的Single实例，而后续的线程则因为无法通过if判断，而不会创建多余的实例。

存在的安全隐患：指令重排序

上述描述似乎已经解决了我们面临的所有问题，但实际上，从JVM的角度讲，这些代码仍然可能发生错误。

对于JVM而言，它执行的是一个个Java指令。在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说SINGLETON = new Single();语句是分两步执行的，但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会先为新的Single实例分配空间，然后直接赋值给SINGLETON，然后再去初始化这个Single实例。即先赋值指向了内存地址，再初始化，这样就使出错成为了可能。

我们仍然以A、B两个线程为例：

• A、B线程同时进入了第一个 if 判断
• A首先进入synchronized块，由于SINGLETON为null，所以它执行SINGLETON = new Single();
• 由于JVM内部的优化机制，JVM先划出了一些分配给Single实例的空白内存，并赋值给SINGLETON成员(注意此时JVM没有开始初始化这个实例)，然后A离开了synchronized块。
• 然后B进入synchronized块，由于SINGLETON此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
• 此时B线程打算使用Single实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

下面参考另一篇文章的描述，意思是一样的

问题主要在于SINGLETON = new Single();这段代码并不是原子操作，原子性：即一个操作或者多个操作，要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行(事务)。

SINGLETON = new Single();其实做了三件事情：

• 给 SINGLETON 实例分配内存
• 初始化 Single() 实例
• 将SINGLETON对象指向 new Single() 分配的内存空间

问题就出在这儿了，因为JVM中有指令重排序的优化，所以呢正常情况按照1，2，3的顺序来，没毛病，但是也可能按照1，3，2的顺序来，这个时候就有问题了，调用的时候判断 SINGLETON != null 就直接返回 SINGLETON 实例，但是这个时候并没有进行初始化工作，所以在后续的调用中肯定就会报错了。

所以这里需要引入了 volatile 修饰符修饰 SINGLETON 对象，因为 volatile 能够禁止指令重排序的功能，所以能解决我们的这个问题

以上情况只是理论分析，实际我经过大量测试发现，这种情况根本展示不出来。但是面试时这个是非常重要的知识点。

添加 volatile 后的终极形式

在JDK1.5之后，官方也发现了这个问题，故而具体化了 volatile，即在JDK1.6及以后，只要定义为private volatile static就可解决 DCL 失效问题。

volatile 确保 INSTANCE 每次均在主内存中读取，这样虽然会牺牲一点效率，但也无伤大雅。

class Single {
    private static volatile Single SINGLETON; //添加【volatile】关键字

    private Single() {
        System.out.println("创建了实例");
    }

    public static Single getInstance() {
        if (SINGLETON == null) { //目的是为了提高性能，避免非必要获取锁
            synchronized (Single.class) { //加锁
                if (SINGLETON == null) SINGLETON = new Single(); //线程安全
            }
        }
        return SINGLETON;
    }
}

静态内部类方式：【推荐】

JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证INSTANCE只被创建一次，并且会保证把赋值给INSTANCE的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。

另外，INSTANCE是在第一次加载SingleHolder时被创建的，而SingleHolder则只在调用getInstance方法的时候才会被加载，因此也实现了懒加载。

总结：不会像饿汉式那样立即加载对象，且加载类时是线程安全的，从而兼具了并发高效调用和延迟加载的优势！

class Single {

    private Single() {
        System.out.println("创建了实例");
    }

    public static Single getInstance() { //只有调用getInstance时才会加载静态内部类
        return SingleHolder.SINGLETON;
    }

    private static class SingleHolder {
        private static final Single SINGLETON = new Single();
    }
}

这种方法不仅能确保线程安全，也能保证单例的唯一性，同时也延迟了单例的实例化。

枚举式：天然的防止反射

线程安全、调用效率高，但不能延时加载，并且可以天然的防止反射和反序列化漏洞！

enum Single {
    SINGLETON;//定义一个枚举的元素，它就代表了Single的一个实例。元素的名字随意。
    Single() {
        System.out.println("创建了实例");
    }
}

2017-11-27