两种单例模式详解（内含懒汉式的双重校验锁详解）-创新互联

两种单例模式详解

对于一个软件系统的某些类而言，我们无须创建多个实例。举个大家都熟知的例子——Windows任务管理器，我们可以做一个这样的尝试，在Windows的“任务栏”的右键弹出菜单上多次点击“启动任务管理器”，看能否打开多个任务管理器窗口？通常情况下，无论我们启动任务管理多少次，Windows系统始终只能弹出一个任务管理器窗口，也就是说在一个Windows系统中，任务管理器存在唯一性。
实际开发中，我们也经常遇到类似的情况，为了节约系统资源，有时需要确保系统中某个类只有唯一一个实例，当这个唯一实例创建成功之后，我们无法再创建一个同类型的其他对象，所有的操作都只能基于这个唯一实例。为了确保对象的唯一性，我们可以通过单例模式来实现，这就是单例模式的动机所在。

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单例模式定义如下： 单例模式(Singleton Pattern)：确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。单例模式是一种对象创建型模式。
单例模式有三个要点：

  1. 某个类只能有一个实例；
  2. 它必须自行创建这个实例；
  3. 它必须自行向整个系统提供这个实例。
结构图

在这里插入图片描述
在单例类的内部实现只生成一个实例，同时它提供一个静态的getInstance()工厂方法，让客户可以访问它的唯一实例；为了防止在外部对其实例化，将其构造函数设计为私有；在单例类内部定义了一个Singleton类型的静态对象，作为外部共享的唯一实例。

单例模式一般分为两种，分别是饿汉式与懒汉式，下面就分别讲解这两种模式，并且详解饿汉式的双重校验锁

饿汉式

对于饿汉式来说，它在定义静态变量的时候实例化单例类，因此在类加载的时候就已经创建了单例对象。而且该单例对象用final修饰，之后每次获取直接返回即可。

public class HungrySingleton {private static final HungrySingleton singleton=new HungrySingleton();
    private HungrySingleton(){}
    public static HungrySingleton getInstance(){return singleton;
    }
}
懒汉式（双重校验锁）

懒汉式单例在第一次调用getInstance()方法时实例化，在类加载时并不自行实例化，这种技术又称为延迟加载(Lazy Load)技术，即需要的时候再加载实例。
先看一下在单线程情况下的懒汉式单例：

public class LazySingleton {private static LazySingleton singleton=null;
    private LazySingleton(){}
    public static LazySingleton getInstance(){if(singleton==null){singleton=new LazySingleton();
        }
        return singleton;
    }
}

可以看到，在获取实例的时候，会先判断一下当前的静态变量singleton是否为null，如果为null，则为其初始化。如果不为null，则直接返回。
但是这样的程序在多线程环境下会出现问题！！！
在多线程环境下这样的代码会出现问题，因此我们考虑给getInstance()方法加上同步锁，防止多个线程同时访问getInstance()方法，如下。

public class LazySingleton {private static LazySingleton singleton=null;
    private LazySingleton(){}
    public static synchronized LazySingleton getInstance(){if(singleton==null){singleton=new LazySingleton();
        }
        return singleton;
    }
}

但是这样一来，每次调用getInstance()时都需要进行线程锁定判断，在多线程高并发访问环境中，将会导致系统性能大大降低。那么如何解决该问题呢？有人提出了双重校验锁：
在加锁之前先判断一下该静态变量是否为null。如果不为null就不需要再加锁进行初始化了。这样在高并发的环境下就不会出现频繁获取锁的情况了。

public class LazySingletonSyn {private static LazySingletonSyn singleton=null;
    private LazySingletonSyn(){}
    public static LazySingletonSyn getInstance(){if(singleton==null){synchronized (LazySingletonSyn.class){if(singleton==null){	// 标记点 1
                    singleton=new LazySingletonSyn();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

现在程序是完美的了吗？
依然不是！问题出现在singleton=new LazySingletonSyn();语句
由于现代的处理器大多采用指令级并行技术。为了提高指令的执行效率，在指令执行的阶段可能会出现重排序的现象。
我们看上面代码的标记点1singleton=new LazySingletonSyn();
该语句在执行的时候会被分解为三条(伪)指令：

memory=allocate(); 			//1.分配对象的内存空间
ctorInstance(memory);        //2. 初始化对象
instance=memory;				//3. 设置instance指向刚分配的内存地址

在上面的伪代码中，其中2与3可能会被重排序。

这里涉及到了as-if-serial概念。as-if-serial概念是指不管怎么重排序，单线程程序的执行结果不能被改变。而在该语句中，将2，3的执行顺序改变之后，在单线程的情况下该程序的运行结果不会被改变。因此2，3可能重排序

一旦被重排序，就可能出现以下的结果：
如果线程A，B按照下图的时间执行，那么B线程将会得到一个还没有被初始化的对象！！
在这里插入图片描述
问题就出现在2，3的重排序！那么我们只需要禁止2，3重排序即可。

双重校验锁实现懒汉式
我们只需要对上面的代码进行很小的改动（将singleton声明为volatile），就可以实现线程安全的懒汉式单例。

public class LazySingletonSyn {private volatile static LazySingletonSyn singleton=null;
    private LazySingletonSyn(){}
    public static LazySingletonSyn getInstance(){if(singleton==null){synchronized (LazySingletonSyn.class){if(singleton==null){singleton=new LazySingletonSyn();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

解释如下：
由于singleton被volatile修饰，那么为了实现volatile的内存语义（保证singleton在多线程环境下对共享内存的可见性），编译器在生成字节码的时候，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定的指令重排序。
由于singleton=new LazySingletonSyn();是一个写操作，在该操作的指令之后，JMM（Java内存模型）会插入一个storeload内存屏障。
此时的内存指令变成：

memory=allocate(); 			//1.分配对象的内存空间
ctorInstance(memory);        //2. 初始化对象
instance=memory;				//3. 设置instance指向刚分配的内存地址
storeload;							//4. storeload内存屏障

该指令（storeload）会保证在屏障之前的所有内存访问指令全部完成之后，再执行该屏障的之后的语句。因此当线程B再尝试singleton==null的时候，线程A的singleton=new LazySingletonSyn();以及全部执行完成了。因此就不会再出现上面的由于指令2，3重排序导致的问题了。
其实就是一句话：
JMM会禁止volatile写与其之后可能存在的volatile读/写重排序。因此不会存在上面的图出现的情况！

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