单例模式
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一.什么是单例模式
单例模式（Singleton Pattern）顾名思义，在程序中一个类只有一个对象实例。例如我们在JDBC编程中，我们创建了一个简单类DataSource，只要从DataSource中获取数据库连接即可，不用创建多个DataSource对象。
单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。
二.如何实现
1.口头实现
2.利用语法特性
- 本质上就是利用编程语言自身的特性，强行限制某个类不能创建多个实例
- static修饰一个变量后，这个变量就从一个普通的成员变量属性变成了类对象的成员变量
- 在JVM中一个类只要一个类对象，从而保证了static变量的唯一性
三.实现方式（饿汉式+懒汉式）
1.饿汉式
public class SingletonHungry{ //类的成员变量 private static Singleton instance=new Singleton(); //私有化构造方法 private SingletonHungry(){ } /** * 对外获取类成员方法 * @return */ public static SingletonHungry getInstance(){ return instance; } }
饿汉式：需要急迫的创建这个实例，类在加载的过程中就创建出来了
描述：这种方式比较常见，但容易产生垃圾对象
- 优点：没有加锁，执行效率高
- 缺点：类加载时就初始化，浪费内存
2.懒汉式
public class SingletonLazy{ //类的成员变量 private static Singleton instance=null; //私有化构造方法 private Singleton(){ } /** * 对外获取类成员方法 * @return */ public static Singleton getInstance(){ //判断一个需要返回的对象是否为空 if (instance==null){ //创建对象 instance=new SingletonLazy(); } //返回单例对象 return instance; } }
懒汉式：什么时候用什么时候才去创建，不要程序启动的时候创建，从而节省了程序启动时的开销
3.线程安全的单例模式
在多线程中，饿汉式只是获取变量而不是修改变量；而懒汉式是修改共享变量，因此存在线程安全问题。
我们用上面的代码做一测试
public class Demo_SingletonLazy { public static void main(String[] args) { //多个线程获取单例对象 for (int i = 0; i < 10; i++) { Thread thread = new Thread(() -> { SingletonLazy instance = SingletonLazy.getInstance(); System.out.println(instance); }); thread.start(); } } }
我们知道造成线程安全问题的原因有 原子性、内存可见性、有序性
通过上图分析得出问题：不满足原子性，那该如何解决呢，当然是加锁。
public class SingletonLazy{ //类的成员变量 private static Singleton instance=null; //私有化构造方法 private Singleton(){ } /** * 对外获取类成员方法 * @return */ public static Singleton getInstance(){ synchronized(SingletonLazy.class){ //判断一个需要返回的对象是否为空 if (instance==null){ //创建对象 instance=new SingletonLazy(); } } //返回单例对象 return instance; } }
加锁之后，我们看到问题也解决了，但此时还有一个非常严重的问题：效率问题
- 当变量没有初始化时，第一次创建可能会出现线程问题，因为多个线程可能创建实例
- 当实例变量被创建后，new操作将永远不会执行了，因为获取到的实例不为null了
- 那么synchronized的锁就没有必要加了，因为实例已经创建好了，之后线程拿到锁之后只是判断一下实例是否为空，不会去new了，如果不为null就什么也不干就把锁释放了，这样一来锁白加了，资源也白白浪费了
- synchronizeed看上去是一个关键字，可能会涉及到用户态–>内核态之间的切换，这个成本是比较高的，我们为了保证程序正确执行的基础可以承担这个成本，但是没有必要做无用的消耗
4.双重检查锁
既然在第一次创建完实例后加锁是为了判断实例是否为空，那么不如将判断为空放到加锁之前，避免因为上述原因而造成资源浪费
public class SingletonDCL { //定义一个类的成员变量 private static SingletonDCL instance=null; private SingletonDCL(){} public static SingletonDCL getInstance(){ //第一层判断是否需要加锁 if (instance==null){ synchronized (SingletonDCL.class){ //第二层加锁判断是否需要创建对象 if (instance==null){ //创建对象 instance=new SingletonDCL(); } } } //返回单例对象 return instance; } }
5.禁止指令重排序
上述代码还存在一个严重问题，那就是指令重排序问题
假设一个线程在调用getInstande()方法时，拿到了锁，进入了第二层开始new对象：
new对象本质分为三步：
- 申请内存空间
- 调用构造方法，初始化实例
- 把内存首地址赋给对象的引用
可以看出1和3有逻辑关系，2是在这个内存空间里填充数据
如果这里指令重排序，造成执行顺序为1 3 2 那么这个时候又有一个线程执行到第一层的判断，这里的instance就不为空了，返回一个没有完成初始化的对象。这种情况也是很危险的
为了防止指令重排序，给变量加入关键字volatile
public class SingletonDCL { //定义一个类的成员变量 private static volatile SingletonDCL instance=null;//禁止指令重排序，也保证了在对共享变量修改时的内存可见性 private SingletonDCL(){} public static SingletonDCL getInstance(){ //第一层判断是否需要加锁 if (instance==null){ synchronized (SingletonDCL.class){ //第二层加锁判断是否需要创建对象 if (instance==null){ //创建对象 instance=new SingletonDCL(); } } } //返回单例对象 return instance; } }
