详谈单例、饿汉、和懒汉模式-白红宇

详谈单例、饿汉、和懒汉模式

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发布时间：2019-06-28

本文共 6730 字，大约阅读时间需要 22 分钟。

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，×××tance 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 ×××tance 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
     
      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(): firstNames1.getName(): secondNames2.getName(): secondName-----------------secondName

该实现可以防止反射***。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***，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***。