JavaEE 初阶（10）——多线程8之“单例模式”

目录

一. 设计模式 

二. 单例模式 

2.1 饿汉模式

2.2 懒汉模式

a. 加锁synchronized

b. 双重if判定

c. volatile关键字（双重检查锁定）

---

一. 设计模式 

   设计模式是在软件工程中解决常见问题的经典解决方案。针对一些特定场景给出的一些比较好的解决方案，只要按照设计模式来写代码，就可以使代码不会太差（保证了代码的下限）。

   设计模式比较适用于C++，Java，C#，但是对于 Python 或 Erlang 这些语言，这里的很多设计模式都是不适用的。设计模式适合具有一定的编程经验之后再去学习，如果缺少编程经验，会比较难以理解。

二. 单例模式 

   单例模式 是Java中最简单的设计模式之一，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。一个Java程序中，某个类要求只有唯一一个实例，适合使用单例模式（单例模式前提是“一个进程中”，如果有多个Java进程，自然每个进程中都可以有一个实例了）

在Java中，实现单例模式主要有两种方式：“饿汉模式”和“懒汉模式”

单例模式三部曲：

• static 修饰 instance 成员变量（类变量）
• 构造方法私有
• 静态全局访问点

2.1 饿汉模式

    在饿汉模式中，单例对象在类加载时就被立即初始化。这意味着类加载完成后，单例对象就已经创建好了，不管你是否需要它。

public class SingletonEager {//静态实例变量private static SingletonEager instance = new SingletonEager();//构造方法私有private SingletonEager(){}//全局访问点（每次需要通过getInstance来获取实例的）public static SingletonEager getInstance(){return instance;}
}

饿汉模式中的 “饿” 的意思是 “迫切”（eager），即在类被加载的时候，就会创建出这个单例的实例。

优点：

• 简单易实现，类加载时就完成了实例化，避免了线程安全问题

缺点：

• 如果自始至终未使用过这个实例，则会造成内存浪费

2.2 懒汉模式

    在懒汉模式中，单例对象在第一次使用时才进行初始化。这种方式可以延迟对象的创建，只有在实际需要时才会创建对象。

public class SingletonLazy {//静态变量声明时不初始化private static SingletonLazy instance;//构造方法私有private SingletonLazy(){}//初次使用会进行初始化public static SingletonLazy getInstance(){if(instance == null){instance = new SingletonLazy();}return instance;}
}

懒汉模式中的 “懒” 的意思是推迟了创建实例的时机，首次调用getInstance，才会创建实例
（计算机中，谈到的"懒"是褒义词，意思是效率会更高，能不搞就不搞，很多时候，就可以把这部分开销就省下了）

相比饿汉模式，懒汉模式的效率会更高一些。

比如：有一个编辑器，打开一个非常大（1G）的文本文档

• 一启动，就把所有的文本内容都读取到内存中，然后再显示到界面上 [饿汉]
• 启动之后，只加载一小部分数据（一个屏幕能显示的最大数据），随着用户进行翻页操作，再按需加载剩下的内容  [懒汉]

很明显，懒汉模式会造成巨大的开销，而懒汉模式开销更小~~

---

* 但是，如果在多线程下，调用getInstance 是否会有线程安全问题呢？——  多个线程针对一个变量进行修改：如果只是读取，则没有问题；先判定，再修改的这种代码模式，属于典型的线程不安全代码，判定和修改之间可能涉及到线程的切换。

   当线程A初次调用 getInstance，判断 instance 为null，会执行创建实例（但还未执行就被调度走了的情况下）；此时调度线程B，线程B刚好执行 getInstance，此时判断 instance 仍然为 null，又会执行一次创建实例。

   这样，同一个进程中就会执行两次创建实例的操作。虽然第二次创建，覆盖了 instance 的值，使得第一次创建的实例，没有引用指向，很快就会被垃圾回收机制给消除掉（instance 的引用仍是唯一的），但这样多次new操作已经造成了线程安全问题~~

   因此，需要对判断和初始化这两个操作打包成原子的.....

---

a. 加锁synchronized

public class SingletonLazy {private static SingletonLazy instance;private SingletonLazy(){}public static SingletonLazy getInstance(){//将判断和初始化操作打包成原子操作，加锁synchronized (SingletonLazy.class){if(instance == null){instance = new SingletonLazy();}}return instance;}
}

   注意：此处的 return 操作不用加到同步代码块中。因为，无论 return 操作是在本线程还是其他线程，return的值都是Instance内存中最新的值！！

---

   加锁之后，确实解决了线程安全问题，但是加锁同样也可能带来阻塞.....

如果上述代码已经 new 完对象了，if 的判断分支再也进不去了，后续的代码 都是单纯的 读操作，已经没有线程安全问题了。但是以后只要调用 getInstance ，都会触发加锁操作，但在第一次初始化后，其实已经没有必要加锁了。加锁以后，还会产生阻塞，影响到性能。

   因此，针对这个问题，还要进一步改进——通过条件判断，在应该加锁的时候，才加锁；不需要加锁的时候，直接跳过加锁

---

b. 双重if判定

public class SingletonLazy {private static SingletonLazy instance;private SingletonLazy(){}public static SingletonLazy getInstance(){//再加一个if判断，instance不为null，直接返回值即可，不用加锁阻塞if(instance == null){synchronized (SingletonLazy.class){if(instance == null){instance = new SingletonLazy();}}}return instance;}
}

以往写的代码中，从未遇到过同样的if 连着写：

曾经的单线程代码中，这样的写法是毫无意义的，两个条件值一定相同。

但是在多线程代码中，任意两个代码之间，都可能穿插其他线程的逻辑。synchronized会使代码出现阻塞，一旦阻塞之后，啥时候恢复执行，是无法预知的。在这个过程中，很可能其他线程就把这个值给修改了~~

这俩条件，只是恰好写法一样，实际上，作用是完全不同的~~

外面的 if 判定 是否要加锁；里面的 if 是判定 是否要创建对象

只不过巧了！在这个代码中，通过同样的方式，完成上述两种判定的~~

---

但是，这个代码可能还会因为指令重排序（编译器优化），引起线程安全问题（如果是单线程代码，编译器都能准确的进行判断；如果是多线程代码，编译器也是可能出现误判）

 在创建实例 instance = new SingletonLazy () 时，这行代码实际上可以分解为以下三个操作：

     1. 分配内存空间

     2. 初始化对象

     3. 将对象引用指向分配的内存空间（执行后instance值不再为null）

在没有volatile关键字的情况下，编译器和处理器可能会对上述操作进行重排~~

例如：

     a. 分配内存空间

     b. 将对象引用指向分配的内存空间（执行后instance值不再为null）

     c. 初始化对象

如果发生了这种重排，假设 线程A 正在执行 instance = new SingletonLazy ()，而 线程B 几乎同时调用 getInstance 方法，可能会发生以下情况：

• 线程A 执行了 a 和 b，此时 instance 已经不为 null，但是对象还没有被初始化
• 线程B 进入 getInstance 方法，执行第1次检查，发现 instance 不为 null，因此直接返回 instance
• 线程B 在使用未完全初始化的 instance 时，可能会遇到空指针异常或其他错误。

---

    在Java中，所有的对象引用默认值都是null，如果声明了一个对象引用但没有进行初始化，那么试图访问这个引用的任何方法或属性都会抛出空指针异常。

   此处相当于引用已经不为null了，但是没有为 instance 中的属性和方法进行初始化，因此使用 instance 的时候会抛出空指针异常。

   因此，为了解决这个问题，要对 instance 变量用 volatile关键字 修饰

* “指令重排序”的详细讲解在 JavaEE初阶（6）

* volatile 关键字的特性（保证“可见性”与“有序性”，不保证“原子性”）详细讲解在JavaEE初阶（8）

c. volatile关键字（双重检查锁定）

public class SingletonLazy {//volatile关键字修饰instanceprivate static volatile SingletonLazy instance;private SingletonLazy(){}public static SingletonLazy getInstance(){if(instance == null){synchronized (SingletonLazy.class){if(instance == null){instance = new SingletonLazy();}}}return instance;}
}

  volatile关键字 的作用之一就是禁止对 volatile变量 前后的操作进行指令重排。这样，当线程A创建 SingletonLazy 实例时，即使发生了指令重排，其他线程在读取 instance 变量时也能保证看到的是完全初始化后的对象。volatile 不仅保证了变量的可见性，还防止了指令重排可能带来的问题。

   换个角度看，加上volatile之后，也能禁止对 instance 赋值操作 插入到其他操作之间。

---

总结： 

设计模式：软件开发中，针对一些特定套路，给出的特定解决方案

单例模式：

• 饿汉模式：程序启动，类加载的时候，就会创建实例——不涉及线程安全问题
• 懒汉模式：在程序第一次使用这个实例的时候，才会创建实例——涉及到线程安全问题

             a. 加锁把if判定和new赋值操作，打包成原子操作

             b. 双重 if 判定，解决加锁的性能问题

             c. volatile关键字解决指令重排问题