剑指Offer2:实现Singleton模式（内含static，synchronized介绍）

题目: 设计一个类，只能生成该类的一个实例

这道题主要考察设计模式，要求考虑到多线程环境所引发的问题。以下主要针对剑指Offer的解释做补充（Java版本）。

知识准备（以下内容从《Thinking In Java》第四版和一些网络资源中摘取）：

static(静态)关键字：

因为这道题的解法中会涉及到一些static关键字，所以在这里简单的介绍下static。

Java支持static数据（变量），static方法（函数），static语句块，static类。

一旦将某个类的数据或者方法设置为static，它们就不再同这个类的任何实例对象有关联。换句话说，即使我们不创建这个类的对象，我们仍然能调用static方法或者访问static数据。

比如说定义一个static数据：

class StaticCase() {
  static int a = 10;
}

当我们创建两个StaticCase的对象时，sc1.a和sc2.a只占据StaticCase.a的一个存储空间：

StaticCase sc1 = new StaticCase();
StaticCase sc2 = new StaticCase();

改变任意一个sc1.a或者sc2.a的值，都会引起另外一个值的变化。

如果把static加在方法前，比如：

class StaticCase() {
  static int a = 10;
  static void incr() {
    a++;
  }
}

我们可以直接调用StaticCase.incr()去实现对a的增加。

Java里的main()方法就是static的:public static void main()。因为不用创建任何对象就可以直接调用main方法。

当类也就是StaticCase被加载的时候，编译器会按照这些static数据或者static语句块(static block)被定义的顺序去加载它们（在构造器被加载之前，当然如果没有创建类的对象，则构造器不会被加载）。

另外还有很多关于static加载顺序（例如final static，父类子类）的讨论这里不做介绍。

除此之外，Java允许内部类（Inner Class）是static的。静态内部类实例可以任意访问外部类的static成员（包括成员变量与成员方法)。然而一般的非静态内部类可以随意的访问外部类中的成员变量与成员方法。即使这些成员方法被修饰为private。

synchronized关键字:

在多线程环境下，程序可能存在线程安全问题：即多条线程共同操作共享数据。解决此问题的方法只有在同一时刻，只有一条线程操作这个共享数据，其他线程必须等到该线程处理完数据再进行操作。

再详细点说，解决此问题必须保证互斥性，即在某一时刻，只能有一个线程持有对象锁，从而实现多线程的协调机制。其他不持有对象锁的线程必须等到锁被释放然后再竞争锁才有可能对‘被锁住’的代码块进行访问。

另外，除了互斥性，解决线程问题还必须保证可见性，即必须保证在锁被释放之前，一个线程对于共享变量的修改对于随后获得该锁的线程是可见的，否则另一个线程可能是在本地缓存或者工作内存的某个副本上进行的操作，从而引起结果不一致。

synchronized即可满足上述要求。

synchronized关键字通过修饰方法或者代码块来防止资源冲突：

  1. 修饰方法
    • 修饰非静态方法（使用对象锁）
    • 修饰静态方法 （使用类锁）
  2. 修饰代码块
    • synchronized(this|object) {} （使用对象锁）
    • synchronized(class) {} （使用类锁）

那么我们先来解释用synchronized修饰方法。

此关键字用来修饰方法意味着，在任何时刻，只可有一个线程调用特定对象的一个synchronized方法。以下代码是修饰非静态方法，意味着线程可获取对象锁：

synchronized void f() {}
synchronized void g() {}

如果一个对象调用f()，则它不可再调用g()，除非f()完成并解除锁定。因此，一个特定对象的所有synchronized方法都共享一把锁，而且这把锁能防止多个方法或者多个线程对通用内存同时进行写操作。

如果用syncrhonized修饰静态方法，则代码如下：

synchronized static void f() {}

此时线程会获取类锁（其实也是对象锁的一种）。

synchronized也可以用来修饰区域块(block)从而设置关键区域。语法是synchronized(synchObject) {}。在进入同步块之前，必须在synchObject上取得锁。如果锁已被其他线程获得，则需要等待锁被释放。以下是代码示范：

public void f() {
    synchronized(this) {
        count++;
    }
}

要知道，在Java中，每一个对象都有一个与之关联的锁，称为内置锁或者对象锁。除此之外，每个类也有一个锁，称为类锁。以上代码synchronized void f() {}中synchronized用来修饰非静态方法，用的是调用f()的实例的内置锁。synchronized static void f()中synchronized用来修饰静态方法。如果调用f()的是一个类，则用的是这个类的类锁。如果调用f()的是一个对象，则用的是这个对象的内置锁。

另外，在synchronized(this) {}中用的是调用f()的实例的内置锁。
如果是synchronized(xxx.class)用的则是类锁。

好的准备知识介绍完了，让我们回到原题。

解题思路：
不好的只适用于单线程的解法：
public class Singleton {
    private static Singleton s = null;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (s == null) {
            s = new Singleton();
        }
        return s;
    }
}

当其他类调用Singleton.getInstance()时且当s为null时，才会创建s实例。在这里，构造函数被定义为private，则无法在其他类中创建Singleton对象，因此确保Singleton实例只被创建一次。

然而此解法只适用于单线程环境。试想在多线程环境中，线程A和线程B同时判断s是否为null且答案为肯定的话，线程A和B会同时创建一个s。这也就不满足单例模式的要求了。

不好的适用于多线程却效率不高的解法：
```java
// multithread-safe
// inefficient due to the lock
public class Singleton {
    private static Singleton s = null;

    private Singleton() {
    }

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (s == null) {
            s = new Singleton();
        }
        return s;
    }
}

此方法在getInstance()方法前加了synchronized关键词，因而确保了一个线程在创建实例时同步锁被加上，另一个线程只能等待锁被释放再做操作。

然而这样做的坏处是，每次调用Singleton.getInstance()时，同步锁都会被加上。这样子固然可以解决问题，但是会影响程序效率。我们只需要在创建实例的过程进行同步就好了。因此我们可以写出第二种synchronize的版本，也就是synchronize代码块。并且，我们可以先查看实例有没有被创建，只有在没被创建的时候才加上同步锁。这样子可以确保同步锁只有在第一次被创建的时候才被加上。因此，我们有了以下解法。

多线程安全的效率高的但写法复杂的解法：
public class Singleton {
    private static Singleton s = null;

    private Singleton() {
    }

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

然而这样子的写法是有些复杂的，并且还有线程安全的隐患。
Java里，JVM如果发现指令没有违背‘happen-before’的八大原则，会对指令进行重排优化从而提升效率。

因此，s = new Singleton()这一句的底层逻辑本来应该是：

memory = allocate(); // 为实例分配内存
init(s); //初始化实例对象
s = memory; //设置实例指向刚分配的内存，此时s!=null

然而，经过指令重排之后，底层逻辑顺序可能变为：

memory = allocate(); // 为实例分配内存
s = memory; //设置实例指向刚分配的内存，此时s!=null
init(s); //初始化实例对象

设想这个时候线程A调用了getInstance()，指令刚执行到s=memory的时候，线程B开始调用getInstance()，且判断s!=null。这个时候getInstnace()返回s，然而s是一个没有被初始化的对象，因此程序出错。

为了解决这个问题，我们可以将private static Singleton s这句改为private volatile static Singleton s。volatile关键字可以保证被修饰的变量不会被编译器优化（指令重排）。

我们其实可以利用静态构造函数简化代码，同时也解决线程安全问题。

利用静态构造函数的解法:
public class Singleton {
    private static Singleton s = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return s;
    }
}

当第一次使用Singleton时实例就会被创建且只会被创建一次。然而这种解法会使实例或早的被创建，从而降低了内存的使用效率（比如说你只是想调用类的其他方法而不是getInstance()时，实例依旧会被创建）。为了克服这个缺点，我们有以下更好的解法。

最好的解法：
public class Singleton {
    public final static class Nested() {
        private static Singleton s = new Singleton();
    }

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return Nested.s;
    }
}

在这里我们使用了static内部类。当程序调用getInstance()时，实例才会被加载和创建。且无论调用多少次getInstance()，由于实例是静态型，所以只被创建一次。

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