请教我学设计模式（一）单例模式的常用实现方法

发表于 2020-08-15 更新于 2022-03-18 分类于设计模式阅读次数：

单例模式是什么？

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例模式实现方式

饿汉式

类加载的时候就创建了实例优点：类加载的时候创建一次实例，避免了多线程同步问题

缺点：即使单例没被用到也会创建，浪费内存

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton() { }
    public static Singleton getInstance() {
        return instance; 
    }
}

懒汉式

非线程安全

优点：需要时才去创建缺点：没有考虑线程安全问题，多个线程并发调用getInstance，可能会创建多个实例

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton() { }
    public static Singleton getInstance() {
          if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
          }
        return instance;
    }
}

线程安全

缺点：性能问题，添加了synchronized的函数比一般方法慢得多，若多次调用getInstance，则累积的性能损耗特别大。

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton() { }
    public static Synchronized Singleton getInstance() {
          if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
          }
        return instance;
    }
}

双重校验锁

大部分情况下，同步代码块都不会执行到，提高了程序的性能。

有一种情况，两个线程ThreadA，ThreadB，如果threadA执行到了第一个if条件判断，instance = null；ThreadB也执行到了if条件判断instance = null，所以A和B会依次执行同步代码块里的代码。为了避免创建两个实例，因此又在同步代码块里添加了if条件进行二重检验。

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton() { }
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

隐患：

1、此处涉及Java的指令重排优化。指令重排优化是指在不改变原语义的情况下，通过调整指令的执行顺序让程序运行地更快。

2、JVM中没有规定编译器优化的相关内容，也即JVM可以自由地进行指令重排序的优化。

3、此问题的关键在于由于指令重排序优化的存在，导致初始化Singleton和将对象地址赋给instance字段的顺序是不确定的。

4、在某个线程创建单例对象时，在构造函数被调用前，就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。此时就可以将分配的内存地址赋值给instance字段了，然而该对象可能还没初始化。若紧接着另一个线程来调用getInstance，获取到的就是状态不正确的对象，程序出错。

JDK5的修正：以上是双重校验锁失效的原因，不过在JDK1.5之后的版本添加了volatile关键字。

1、volatile的一个语义是禁止指令重排序优化，也就保证了instance变量被赋值的时候对象已经是初始化过的，从而避免了上述问题。

2、Java中的volatile变量是什么？

（1）关键字的作用有两个：

①多线程主要围绕可见性和原子性两个特性展开，使用volatile关键字修饰的变量，保证了其在多线程之间的可见性，即每次读取到的volatile变量，一定是最新的数据。

②代码底层执行的顺序是Java代码-->字节码-->根据字节码执行对应的C/C++代码-->C/C++代码被编译成汇编语言-->和硬件电路交互。实际中，为了获取更好的性能，JVM可能会对指令进行重排序，多线程下可能会出现一些意想不到的问题。使用volatile则会禁止语义重排序，也一定程度上降低了代码执行效率。实践角度而言，volatile的一个重要作用就是和CAS结合，保证了原子性。

（2）volatile是一个特殊的修饰符，只有成员变量才能使用它。在Java并发程序缺少同步类的情况下，多线程对成员变量的操作对其他线程是透明的。volatile变量可以保证下一个读取操作会在前一个写操作之后发生。代码如下：

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