(设计模式)java中单例模式实现(包含double-check)

单例模式是24中设计模式中的最常用、也是最为简单的一种设计模式。java中实现单例模式的方式,大致分为两种:

1、构造方法+getInstance创建
2、内部类构造
3、枚举实现单例(推荐使用)

1、构造方法+getInstance创建方式

V1:最简单的代码实现方式:

//将类的构造函数写成private的,从而保证别的类不能实例化此类,然后再类中提供一个静态的实例并能够返回给使用者。
//这样,使用者就可以通过这个引用使用到这个类的实例了。

public class SingletonClass {
    private static final SingletonClass instance = new SingletonClass();
    public static SingletonClass getInstance(){
        return instance;
    }
    //构造方法定义成private的,是为了防止其他类通过构造方法单独创建该类的对象。
    private SingletonClass(){}
}

如上面的代码块,外部使用者如果需要使用SingletonClass的实例,只能通过getInstance()方法,并且类的构造方法是private的,这样就保证了这个类只能有一个对象。

V2:上面的代码虽然简单,但是有一个问题:无论这个类是否会被使用,在类加载的时候,都会实例化出来instance对象。如果创建这个对象比较耗时,比如需要连接100次数据库(有点夸张了),并且这个类还不一定会被使用到,那么就没有必要在类加载的时候创建无用的对象。 那么该怎么优化呢?

优化后的代码如下:

public class SingletonClass{
    //去掉了final的修饰
   private static SingletonClass instance = null;
   public static SingletonClass getInstance(){
        //增加对象是否为null的逻辑判断
        if(null == instance){
            instance = new SingletonClass();
        }
        return instance;
    }
    private SingletonClass(){}
}

代码优化点有两个地方:一是去掉instance的final修饰,将instance声明为可修改的变量。 二是在getInstance()方法中增加了instance对象的判空逻辑处理。
通过模拟代码流程,可以看出这部分代码的过程其实就是lazy loaded(懒加载)也就是延迟加载---直到使用的时候才进行创建加载。

V3:上面优化的代码,也很简单明白。单线程环境下,这段代码没有任何问题。但是多线程并发的场景下,就会有麻烦了。(想起了那句名言:“80%的错误都是由20%的代码优化造成的”)

来假设多线程的一个场景:线程A希望使用SingletonClass,调用了getInstance()方法。因为是第一次调用,A发现instance是null,于是就开始创建instance实例,就在这个时候,CPU发生时间片切换,线程B开始执行,B也要使用SingletonClass,也调用了getInstance()方法,此时也判断到instance是null --->注意,A判断到instance是null,但是并未完成创建对象的操作,此时B就开始了,并且B成功的创建出来对象。B创建完成后,切换到A继续执行,因为A已经判断为null了,所以A就直接创建了一个对象。 就这样,线程A和B各自拥有一个SingletonClass的对象 --- 单例模式失败!!!
解决方案就是加同步锁(synchronized),优化代码如下:

public class SingletonClass{
    //去掉了final的修饰
   private static SingletonClass instance = null;
   public synchronized static SingletonClass getInstance(){
        //增加对象是否为null的逻辑判断
        if(null == instance){
            instance = new SingletonClass();
        }
        return instance;
    }
    private SingletonClass(){}
}
V4:上面的代码块,解决了功能和逻辑上的错误,无论是单线程、多线程的场景下,都会确保单例模式的成功。 但是,synchronized修饰的同步代码块,执行效率上会比较慢,如果多线程场景下,调用很多次getInstance()方法,即便无需创建对象也需要进行锁等待,那么性能问题就不得不考虑了!!

那么我们分析一下,是否有必要对整个方法加锁,是不是可以只针对某一块代码进行加锁,并且对加锁代码块的执行与否做一个if逻辑判断。这样就可以做到:并非所有调用getInstance()方法时都会进行加锁,只有需要创建对象的时候,才进行加锁操作,这样就会减少很多锁等待,提升性能。

public class SingletonClass{
    //去掉了final的修饰
   private static SingletonClass instance = null;
   public static SingletonClass getInstance(){
        //1、判断对象是否需要创建,无需创建就不用执行加锁的代码块(减少性能消耗)
        if(null == instance){
            //2、加锁同步代码块,应对多线程场景下单例模式失效的问题(参考V3版本)
            synchronized(SingletonClass.class){
                //增加对象是否为null的逻辑判断
                if(null == instance){
                    instance = new SingletonClass();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    private SingletonClass(){}
}

首先判断instance是否为null,如果为null,加锁进行初始化;如果不为null,直接返回instance。

这就是double-checked locking设计实现的单例模式。
关于double-checked的设计,详细细节请参照:https://www.jianshu.com/p/a9ecac4bd753

V5:其实V4版本已经很完美了,但是java JVM有一个特性,不得不考虑。那就是JVM编译器的指令重排序。

试想一下,创建一个变量需要哪些步骤呢? 1、申请一块内存。2、调用构造方法进行初始化操作。3、分配一个指针指向这快内存。 这3个步骤谁先谁后呢?JVM并么有规定,那么就存在这么一个情况,JVM先开辟出来一块内存,然后把指针指向这块内存,最后再调用构造方法初始化对象。
我们来设想这么一种场景:线程A开始创建SingletonClass实例,此时线程B调用了getInstance()方法,首先判断instance是否为null。按照我们上面说的内存模型(对象创建步骤),A已经把instance指向了那块内存,只是还没有调用构造方法,因此B检测到instance不为null,于是直接把instance返回了 ---- 问题出现了,尽管instance不为null,但它并没有被构造完成。如果B在A将instance构造完成之前就使用了这个实例,程序就会报错!!
如果解决这个问题,就用到了volatile关键字。注意哦:volatile关键字,只有在JDK1.5以及JDK1.5之后的版本中才能起作用,我们暂且讨论JDK1.5及以后版本的情况。

public class SingletonClass{
   //去掉了final的修饰
   private volatile static SingletonClass instance = null;
   public static SingletonClass getInstance(){
        //1、判断对象是否需要创建,无需创建就不用执行加锁的代码块(减少性能消耗)
        if(null == instance){
            //2、加锁同步代码块,应对多线程场景下单例模式失效的问题(参考V3版本)
            synchronized(SingletonClass.class){
                //增加对象是否为null的逻辑判断
                if(null == instance){
                    instance = new SingletonClass();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    private SingletonClass(){}
}

注:volatile关键字本身包含“禁止指令重排序”的语义。所以instance被加上volatile关键字之后,其创建顺序就变得有序的了:先通过构造创建对象,再开辟空间,增加指针指向。
加上volatile关键字之后,就可以解决因为指令重排序造成的程序错误的情况。那么JKD1.5版本之前没有volatile关键字,应该怎么处理呢?或者有没有一个万能的解决办法,可以既简单有安全的实现单例模式?
那么,我们就开始讨论一下,创建单例模式的第二种方式:内部类构造

2、内部类构造方式

public class SingletonClass{
    //私有静态内部类
    private static class SingletonClassInstance{
        private static final SingletonClass instance = new SingletonClass();
    }
    public static getInstance(){
        return SingletonClassInstance.instance;
    }
    private SingletonClass(){}
}

说明:SingletonClass中并没有static属性的变量,所以不存在初始化。直到调用getInstance()方法,首先会加载SingletonClassInstance类,该类中有一个static的SingletonClass实例,并通过构造方法new出来一个新的对象,赋值给instance变量。然后getInstance()方法将该变量return给使用者。
由于内部类中instance是static、final的因此不会构造多次,且不允许修改。
由于SingletonClassInstance是私有静态内部类,所以不会被其他类所知道。同样static语义也要求不会有多个实例存在。并且,按照JSL规则,类的构造是原子的,非并发的,因此内部类不需要加同步块。同样,内部类的构造是非并发的,所以getInstance()方法也不需要加同步。

3、枚举实现单例模式

还有一种写法更简单,同时也能保证安全性、唯一性的写法:枚举类的方式
先看实现代码:

public enum SingletonE{
  INSTANCE;
  public void dosomethingMethod(){
  //TODO do something...
  }
}

相比上面实现,枚举的代码会更加简单。那么这种方式为什么是最好的呢?是因为枚举的实现方式本身可以帮助我们解决线程安全问题(主要是借助java底层实现的)。具体分析请参照《(设计模式)单例模式的枚举实现原理》

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