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单例模式概述
单例模式是设计模式中的一种,其作用能保证某个类在程序中只存在唯一一份实例,而不会创建多份实例。单例模式具体的实现方式, 分成 “饿汉” 和 “懒汉” 两种.。饿汉模式中的饿不并不是真饿了,而是说提前把单例类更创建好。懒汉模式中的懒则是当需要使用到单例类的时候才创建单例对象。这就类似于,每次吃饭的时候,已经提前把碗洗了有碗用,这就是"饿汉"。"懒汉"则是要用碗赶紧去把碗洗了。单例模式中的单例类有且只有一份,static修饰的成员变量是属于类的,也是只有一份,所以我们使用static修饰的成员变量保存 到实例对象的引用变量。
饿汉模式
在单例模式中一个类只有一个实例对象,所以避免外部通过构造方法创建对象,所以需要才构造方法私有,防止创建出多个对象。又因为我们是使用static来保存实例对象的引用,所以需要提供一个静态方法获取唯一的对象。
示例代码
public class HungrySingleton { /** * 类加载的时候创建出HungrySingleton对象,并用静态差成员变量保存。 */ private static HungrySingleton singleton = new HungrySingleton(); private HungrySingleton() { } /** * 提供静态方法获取单例 * @return */ public static HungrySingleton getSingleton() { return singleton; } }
上述的代码多线程环境下依旧是安全的,因为 getSingleton()方法中的return语句只涉及到读而不涉及修改。
懒汉模式单线程版
懒汉模式和饿汉模式相比就是创建实例的时机不一样,懒汉不是在类加载的时候创建而是在需要使用的时候创建。
示例代码
public class SlackerSingleton { private static SlackerSingleton singleton = null; private SlackerSingleton() { } /** * 提供静态方法获取单例 * * @return */ public static SlackerSingleton getSingleton() { //需要使用的时候创建对象 if (singleton == null) { singleton = new SlackerSingleton();//真正创建的时机,创建好了,后续是直接返回。 } return singleton; } }
多线程的环境下,当t1线程进行比较singleton是否为空时,比较完之后，t1线程还没有创建实例。此时t2线程立马进来再次判断此时singleton依旧为空,导致t2线程也进行new操作,最终导致创建了多份实例。造成线程不安全的代码就是if语句以及实例的创建操作,所以我们需要对这段代码加锁。
懒汉单例多线程版
加锁后的代码
public class SlackerSingleton { private static SlackerSingleton singleton = null; private SlackerSingleton() { } /** * 提供静态方法获取单例 * * @return */ public static SlackerSingleton getSingleton() { //需要使用的时候创建对象 synchronized (SlackerSingleton.class) { if (singleton == null) { singleton = new SlackerSingleton(); } } return singleton; } }
上述代码仅仅是针对首次创建实例的情况,如果singleton已经创建好了,if语句就啥用了，但是第二次进入该方法会去获取锁,而获取锁海外释放锁的是耗时耗力的。所以可以在加锁之前进行判断该实例是否已经创建好了,没有则获取锁,创建好了直接返回。
双重if的代码
public class SlackerSingleton { private static SlackerSingleton singleton = null; private SlackerSingleton() { } /** * 提供静态方法获取单例 * * @return */ public static SlackerSingleton getSingleton() { //需要使用的时候创建对象 if (singleton == null) {//判断是否需要加锁 synchronized (SlackerSingleton.class) { if (singleton == null) {//判断是否需要创建实例 singleton = new SlackerSingleton(); } } } return singleton; } }
优化到这里依旧是存在问题的,和这个锅就是编译器的了。上述代码需要判断isingleton == null,这个操作在多线程的情况下是非常频繁的,导致CPU频繁的从内存读取(Load)到寄存器然后进行比较(CMP),此时就会进行优化,线程不会去读取内存中数据,而是会从寄存器中读取数据,一旦当singleton值变化时,线程是感知不到的,就会造成内存可见性问题,除此之外,还有另一个问题就是由new SlackerSingleton();引起来的,创建对象大概可以分为三步:①:JVM为对象分配一块内存S,②:在内存S上对对象进行初始化,③:将内存S的地址赋值singleton变量。为了引出bug,我们假设有两个线程t1和t2同时使用getSingleton()方法。
正常情况按照对象创建①②③来执行。
第一步:线程t1直接运行到singleton = new SlackerSingleton();并且一口气执行完了①②③。
第二步:线程t2进行该方法判断singleton就直接返回了。
第三步:线程t2可以正常使用。
出现bug的情况按对象创建的步骤①③②来执行。
第一步:线程t1执行singleton = new SlackerSingleton();执行完①JVM为对象分配一块内存.③将内存的地址赋值给singleton 变量
第二步:线程t2进入该方法进行判断发现singleton不为空,拿到singleton 返回了。此时线程t2拿到的是singleton 的半成品对象,因为该对象没有初始化。
第三步:线程t2拿到该对象去使用就可能会出现异常。
综上所述,还存在两个隐含问题一个是内存可见性问题,另一个是指令重排序问题。解决这个问题只需要将静态变量加上volatile 即可。
volatile 修饰静态变量
public class SlackerSingleton { private static volatile SlackerSingleton singleton = null; private SlackerSingleton() { } /** * 提供静态方法获取单例 * * @return */ public static SlackerSingleton getSingleton() { //需要使用的时候创建对象 if (singleton == null) { synchronized (SlackerSingleton.class) { if (singleton == null) { singleton = new SlackerSingleton(); } } } return singleton; } }
此时多线程长场景下的懒汉模式完成。
枚举实现单例
因为枚举是天然的单例,并且枚举类型无法通过反射来获取封装的私有变量,非常安全。
示例代码
public enum Singleton { INSTANCE; public void businessMethod() { System.out.println("我是一个单例！"); } }
简单使用
public class SingletonDemo { public static void main(String[] args) { Singleton.INSTANCE.businessMethod(); } }
运行结果
