多线程（初阶六：单例模式）

一、单例模式的简单介绍

单例模式是一种设计模式，其中设计模式是软性的规定，与它关联的框架是硬性的规定，这些都是大佬已经设计好了的，即使是代码写的不是很好的菜鸡，按照这种模式也能写出还行的代码。类似象棋中的棋谱，即使你是新手，但按着棋谱走，你的棋力也不会太差。

单例 = 单个实例（对象）；某个类，在一个线程中，只应该创建一个对象（原则上不应该有多个），这时就使用单例模式，就可以对我们的代码进行一个更严格的校验和检查。

那么，怎么保证这一个对象唯一呢？

其一方法，可以通过“君子约定”，写一个文档，规定这个类只能有唯一的实例，新手程序猿接手这个代码时，就会发一份这个文档，进行约定，熟悉其中的规定、条约。

其二方法：可以让机器帮我们检查，人肯定是没有机器靠谱的，我们期望让机器帮我们对代码中指定的类，创建类的实例个数进行检查、校验，当创建的实例个数超过我们期望个数，就编译报错，这一点还是能实现的，其中单例模式就是已经设计好的套路，可以实现这种预期效果。

二、饿汉模式

饿汉模式是指创建实例是时期非常早，在类加载的时候，程序一启动，就已经创建好实例了，使用 “饿汉”这个词，就是形容创建实例非常迫切，非常早。下面实现一个单例模式

代码：

class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    private Singleton(){ }
}
public class TestDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        
    }
}

当我们想在主线程中创建一个Singleton的实例时，会报错，如图：

singleton类的代码解析：

singleton内部，第一行代码就是这个，如图

这说明，singleton内部一开始就创建好了实例，创建实例非常迫切，使用static修饰说明instance是类属性。

接下来是获取这个类的实例方法，如图

因为我们不希望能创建出多个实例，所以就把singleton的构造方法用private来修饰，如图：

这样，如果我们想new一个Singleton对象，也new不了，但也有非正规手段，去获取singleton里面的属性或方法：反射。

最后，不管我们用getInstance获取多少次实例，获取的对象都是同一个对象，验证如下：

代码：

class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    private Singleton(){ }
}
public class TestDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

执行结果：

三、懒汉模式

和饿汉模式不一样的是，创建实例的时机比较晚，没饿汉创建实例那么迫切，只有第一次使用这个类时，才会创建实例。

代码如下：

class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
    private SingletonLazy() { }
}
public class TestDemo5 {
    public static void main(String[] args) {
    }
}

代码解析：

一开始，没有创建实例，只是给singletonLazy赋值为null，并没有new一个对象，也就是没有创建实例；首次调用getInstance，instance是null的，所以会new一个对象，创建实例。如果不是第一次调用getInstance，就直接返回instance，这也保证了这个类的实例是唯一的，只有一个实例；

和饿汉模式的区别就是没那么迫切创建实例，等需要调用这个类的时候才创建一个实例，而饿汉模式是有了这个类就创建出实例。

懒汉模式的优点：有的程序，要在一定条件下，才需要进行相关的操作，有时候不满足这个条件，也就不需要完成这个操作了，这样，就把这个操作省下来了，而懒汉模式，就是这一思想，当需要这个实例时，才创建实例。像肯德基的疯狂星期四，只有在星期四的时候才会加载出相关信息，其他时间就不会加载。

四、饿汉模式和懒汉模式的线程安全问题分析

1、饿汉模式（线程安全）

代码分析：

当有多个线程，同时并发执行，调用getInstance方法，取instance，这时，线程是安全的吗？显然。这是线程安全操作，因为只涉及到读，多线程读取同一个变量，是线程安全的。而instance很早之前就已经创建好了，不会修改它，一直也只有这一个实例，也不涉及写的操作。

2、懒汉模式（线程不安全）

代码分析：

这里调用getInstance方法后，就会创建出实例来，那么我们想想，如果多个线程同时调用这个方法，此时SingletonLazy类里面的instance都为null，那么这些线程都会new对象，就会创建多个实例，这时，就不符合我们单例模式的预期了，所以，这个代码是线程不安全的。

这也是线程不安全的直接原因，就是 “写” 操作不是原子的。

解决懒汉模式的线程安全问题

①给写操作打包成原子

因为多线程并发执行的时候，可能读到的都是instance == null，所以会创建多个实例，那我们就给它加锁，让它在创建实例的时候，只能创建一个。

代码：

class SingletonLazy {
    private static Object locker = new Object();
    private static SingletonLazy instance = null;
    public static SingletonLazy getInstance() {
        synchronized (locker) {
            if(instance == null) {
                instance = new SingletonLazy();
            }
        }
        return instance;
    }
    private SingletonLazy() { }
}

这样，能让写操作的时候打包成一个原子，实例只可能创建一个的情况。

②去除冗余操作

以上操作加上了还是有问题：如果已经创建出实例了，我们还有加锁来判断它是不是null吗，加锁这些操作也是要消耗硬件资源的，没有必要为此浪费资源空间，如果已经不是null了，我们就想让它直接返回，不再进行加锁操作。

代码：

class SingletonLazy {
    private static Object locker = new Object();
    private static SingletonLazy instance = null;
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (locker) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    private SingletonLazy() { }
}

注意看这里有两个判断条件是一样的，目前位置，也应该是我们第一次遇到这种代码，为什么要套两层一模一样的代码呢？要注意，这里的两个条件表达的都是不同的意思，第一个if条件判断是要让instance==null时，才要加锁的意思，提升代码的执行效率；而第二个if条件判断是把写操作打包成一个原子，保证线程安全。这两个if条件判断所表达的意思是不同的。

③存在指令重排序的问题

指令重排序：指令重排序也是编译器的一种优化，在保证原代码的逻辑不变，调整原代码的指令执行顺序，从而让程序的执行效率提高。

举个栗子：

现在我们要去菜市场买菜，买菜的清单：黄瓜，西红柿，萝卜，茄子，卖这些菜的位置分布图：

如果按照买菜清单顺序买，路线是这样的：

但是我们如果改变顺序，就能缩短我们买菜的时间了，如图：

指令重排序也是类似的道理，保证原代码的逻辑不变，改变原有指令的顺序，从而提高代码的执行效率，其中这个代码，就存在着指令重排序的优化，如图：

原本指令执行顺序：

1、去内存申请一段空间

2、在这个内存中调用构造方法，创建实例

3、从内存中取出地址，赋值给这个实例instance。

指令重排序后的顺序：1, 3 , 2

按照指令重排序后的代码执行逻辑就变成了这样：

假设有两个线程，现在执行顺序是这样的，如图：

因为指令重排序后，先去内存申请一段空间，然后是赋值给instance，那这时，instance就不是null了，第二个线程不会进入到if语句了，直接返回instance，可是instance还没有创建出实例，这样返回肯定是有问题的，这样，也就线程不安全了。

解决方案：给instance这个变量，加volatile修饰，强制取消编译器的优化，不能指令重排序，同时也排除了内存可见性的问题。

加volatile后的代码：

class SingletonLazy {
    private static Object locker = new Object();
    private static volatile SingletonLazy instance = null;
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (locker) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    private SingletonLazy() { }
}

到这一步，才真的解决了懒汉模式的线程安全问题。

3、解决懒汉模式线程安全问题的最终代码：

class SingletonLazy {
    private static Object locker = new Object();
    private static volatile SingletonLazy instance = null;
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (locker) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    private SingletonLazy() { }
}
public class ThreadDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

main线程是来测试每次拿到SingletonLazy的实例是不是同一个，

执行结果：符合我们的预期