Java单例模式

时间:2022-06-05 未见花闻人气:1

前言：

本篇文章将介绍Java多线程中的几个典型案例之单例模式，所谓单例模式，就是一个类只有一个实例对象，本文将着重介绍在多线程的背景下，单例模式的简单实现。

1.单例模式概述

单例模式，是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中，应用该模式的类一个类只有一个实例，即一个类只有一个对象实例。

单例模式有两种典型的实现，一是饿汉模式，二是懒汉模式，饿汉模式中的“饿”并不是真的表示“饿”，更加准确的来说应该是表示“急”，那就是一个单例类还没被使用，它的单例对象就已经创建好了，而懒汉模式，要等到使用这个单例类时才创建单例对象。

单例模式中的单例类，只能拥有一个实例对象，又static修饰的成员是属于类的,也就是只有一份,所以我们可以使用static修饰的成员变量保存实例对象的引用。

2.单例模式的简单实现

2.1饿汉模式

由于单例模式中，一个类只能拥有一个实例对象，所以需要将类构造方法封装，防止类被创建多个实例对象，但是在使用该类时必须要得到该类的实例对象，因此我们得创建一个获取该唯一实例对象的方法getInstance。

而对于该类的实例对象，在类中我们可以使用属于类的成员变量来保存（即static成员变量）。

//单例模式 - 饿汉模式
class HungrySingleton {
    //1.使用一个变量来保存该类唯一的实例，因为单例模式在一个程序中只能拥有一个实例，由于static成员只有一份，我们可以使用static变量来保存
    private static final HungrySingleton instance = new HungrySingleton();

    //2.封装构造方法，防止该类被实例出新的对象
    private HungrySingleton() {}

    //3.获取该类的唯一实例对象
    public HungrySingleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

多线程情况下，对于上述简单实现的饿汉式单例模式，只需要考虑getInstance方法是否线程安全即可，由于该方法就一句返回语句，即一次读操作，而读操作是线程安全的，所以getInstance方法也就是线程安全的，综上饿汉式单例模式是线程安全的。

2.2懒汉模式

懒汉模式相比于饿汉模式，区别就是实例对象创建时机不同，懒汉模式需要等到第一次使用时才创建实例对象，所以仅仅只需要修改获取对象的方法即可。

不考虑多线程情况，懒汉模式实现代码如下：

//单例模式 - 懒汉模式
class SlackerSingleton {
    //1.使用一个变量来保存该类唯一的实例，因为单例模式在一个程序中只能拥有一个实例，由于static成员只有一份，我们可以使用static变量来保存
    //懒汉单例模式是在使用的时候创建对象，因此初始时对象不应该被创建
    private static SlackerSingleton instance;

    //2.封装构造方法，防止该类被实例出新的对象
    private SlackerSingleton() {}

    //3.获取该类的唯一对象，如果没有就创建
    public SlackerSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SlackerSingleton();
        }
        return instance;
    }
}

多线程情况下，由于getInstance方法中存在两次读（一次判断一次返回）操作一次写操作（修改intsance变量的值），instance变量为初始化时（即instance=null）可能会存在多个线程进入判断语句，这样该类可能会被实例出多个对象，所以上述实现的懒汉式单例模式是线程不安全的。

造成线程不安全的代码段为if语句里面的读操作和instance的修改操作，所以我们需要对这段代码进行加锁，然后就得到了线程安全的懒汉模式：

//多线程情况下饿汉模式获取对象时只读不修改，所以是线程安全的
//多线程情况下懒汉模式获取对象时存在两次读操作，分别为判断instance是否为null和返回instance，除了读操作还存在修改操作，即新建对象并使instance指向该对象
//懒汉模式对象还未初始化的时候，可能会存在多个线程进入判断语句，会导致实例出多个对象，因此懒汉单例模式是线程不安全的。

//线程安全单例模式 - 懒汉模式
class SafeSlackerSingleton {
    //1.使用一个变量来保存该类唯一的实例，因为单例模式在一个程序中只能拥有一个实例，由于static成员只有一份，我们可以使用static变量来保存
    //懒汉单例模式是在使用的时候创建对象，因此初始时对象不应该被创建
    private static SafeSlackerSingleton instance;

    //2.封装构造方法，防止该类被实例出新的对象
    private SafeSlackerSingleton() {}

    //3.获取该类的唯一对象，如果没有就创建
    public SafeSlackerSingleton getInstance() {
        synchronized (SafeSlackerSingleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new SafeSlackerSingleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

但是！上述线程安全问题只出现在instance没有初始化的时候，如果instance已经初始化了，那个判断语句就是个摆设，就和饿汉模式一样，就是线程安全的了，如果按照上面的代码处理线程安全问题，不论instance是否已经初始化，都要进行加锁，因此会使锁竞争加剧，消耗没有必要消耗的资源，所以在加锁前需要先判断一下instance是否已经初始化，如果为初始化就进行加锁。

按照上述方案得到以下关于获取对象的方法代码：

    public SafeSlackerSingletonPlus getInstance() {
        //判断instance是否初始化，如果已经初始化了，那么该方法只有两个读操作，本身就是线程安全的，不需要加锁了，这样能减少锁竞争，提高效率
        if (instance == null) {
            synchronized (SafeSlackerSingletonPlus.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SafeSlackerSingletonPlus();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

到这里线程安全的问题是解决了，但是别忘了编译器它是不信任你的，它会对你写的代码进行优化！上面所写的代码需要判断instance==null，而多线程情况下，很可能频繁进行判断，这时候线程不会去读内存中的数据，而会直接去寄存器读数据，这时候instance值变化时，线程完全感知不到！造成内存可见性问题，为了解决该问题需要使用关键字volatile修饰instance变量，防止编译器优化，从而保证内存可见性。

//线程安全优化单例模式 - 懒汉模式
class SafeSlackerSingletonPlus {
    //1.使用一个变量来保存该类唯一的实例，因为单例模式在一个程序中只能拥有一个实例，由于static成员只有一份，我们可以使用static变量来保存
    //懒汉单例模式是在使用的时候创建对象，因此初始时对象不应该被创建
    private static volatile SafeSlackerSingletonPlus instance;

    //2.封装构造方法，防止该类被实例出新的对象
    private SafeSlackerSingletonPlus() {}

    //3.获取该类的唯一对象，如果没有就创建
    public SafeSlackerSingletonPlus getInstance() {
        //判断instance是否初始化，如果已经初始化了，那么该方法只有两个读操作，本身就是线程安全的，不需要加锁了，这样能减少锁竞争，提高效率
        //如果线程很多，频繁进行外层或内层if判断，可能会引发内层可见性问题，因此要给instan变量加上volatile
        if (instance == null) {
            synchronized (SafeSlackerSingletonPlus.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SafeSlackerSingletonPlus();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

2.3枚举实现单例模式

除了使用饿汉和懒汉模式还可以使用枚举的方式实现，在《Effective Java》书中有这样一句话：单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。因为枚举就是一个天然的单例，并且枚举类型通过反射都无法获取封装的私有变量，非常安全。

//单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法
enum  EnumSingleton {
    INSTANCE;
    public void doSomething() {
        System.out.println("完成一些任务！");
    }
}

使用方式：

public class Singleton {
    public static void main(String[] args) {
        EnumSingleton.INSTANCE.doSomething();
    }
}

运行结果：

好了，有关多线程单例模式问题就讨论到这里了，你学会了吗？

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