Java五种单例模式实现的深入分析

大家在Java在实现单例时常用的有:饿汉模式、懒汉模式、双重锁懒汉模式DCL(Double Check Lock)、静态内部类模式、枚举模式,五种模式,

1.饿汉式:

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

INSTANCE是用static修饰的所以它在类的初始化时,就会在内存中创建对象,
饿汉式是线程安全的,但是它是以空间换时间,所以不推荐

2.懒汉模式

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

懒汉模式在方法被调用后才创建对象,以时间换空间,在多线程环境下存在风险

3.双重锁懒汉模式DCL(Double Check Lock)

public class Singleton {
    private static Singleton INSTANCE = null;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        //先检查实例是否存在,如果不存在才进入下面的同步块,减少加锁
        if (INSTANCE == null) {
            //同步块,线程安全的创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次检查实例是否存在,如果不存在才真正的创建实例
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

DCL模式的优点就是,只有在对象需要被使用时才创建,第一次判断 INSTANCE == null为了避免非必要加锁,当第一次加载时才对实例进行加锁再实例化。这样既可以节约内存空间,又可以保证线程安全。
重点来了:DCL真的能安全吗??
由于jvm存在乱序执行功能,DCL也会出现线程不安全的情况。具体分析如下:
首先我们看一下这行代码
INSTANCE = new Singleton();
这个步骤,其实在jvm里面的执行分为三步:
1.在堆内存开辟内存空间。
2.在堆内存中实例化SingleTon里面的各个参数。
3.把对象指向堆内存空间。

由于jvm存在乱序执行功能,所以在多核CPU上可能在2还没执行时就先执行了3,如果此时再被切换到线程B上,由于执行了3,INSTANCE 已经非空了,会被直接拿出来用,这样的话,就会出现异常。这个就是著名的DCL失效问题。

JDK1.6之后,具体化了volatile,只要定义使用volatile 修饰INSTANCE 就可解决DCL失效问题。volatile确保INSTANCE每次均在主内存中读取,(但是使用volatile修饰某一个变量并不会使它变得线程)这样虽然会牺牲一点效率,但是是可以接受的。

public class Singleton {
    private volatile static SingleTon INSTANCE = null;
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        //先检查实例是否存在,如果不存在才进入下面的同步块,减少加锁
        if (INSTANCE == null) {
            //同步块,线程安全的创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次检查实例是否存在,如果不存在才真正的创建实例
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

4.静态内部类模式

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    private static class SingletonHolder{
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
}

静态内部类的优点是:外部类与内部类的加载没有关联,外部类加载时并不需要立即加载内部类,内部类不被加载则不去初始化INSTANCE,故而不占内存。即当SingleTon第一次被加载时,并不需要去加载SingleTonHolder,只有当getInstance()方法第一次被调用时,才会去初始化INSTANCE,第一次调用getInstance()方法会导致虚拟机加载SingleTonHolder类,这种方法不仅能确保线程安全,也能保证单例的唯一性,同时也延迟了单例的实例化。

这里我们要说一下类加载时机:JAVA虚拟机只有在5种场景下会对类进行初始化。
1.遇到new、getstatic、setstatic或者invikestatic这4个字节码指令时,对应的java代码场景为:new一个关键字或者一个实例化对象时、读取或设置一个静态字段时(final修饰、已在编译期把结果放入常量池的除外)、调用一个类的静态方法时。
2.使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候,如果类没进行初始化,需要先调用其初始化方法进行初始化。
3.当初始化一个类时,如果其父类还未进行初始化,会先触发其父类的初始化。
4.当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的类),虚拟机会先初始化这个类。
5.当使用JDK 1.7等动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄,并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。
这5种情况被称为是类的主动引用,那么,除此之外的所有引用类都不会对类进行初始化,称为被动引用。静态内部类就属于被动引用的行列。

我们再回头看下getInstance()方法,调用的是SingleTonHoler.INSTANCE,取的是SingleTonHoler里的INSTANCE对象,跟上面那个DCL方法不同的是,getInstance()方法并没有多次去new对象,故不管多少个线程去调用getInstance()方法,取的都是同一个INSTANCE对象,而不用去重新创建。当getInstance()方法被调用时,SingleTonHoler才在SingleTon的运行时常量池里,把符号引用替换为直接引用,这时静态对象INSTANCE也真正被创建,然后再被getInstance()方法返回出去,这点同饿汉模式。那么INSTANCE在创建过程中又是如何保证线程安全的呢?

虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步,如果多个线程同时去初始化一个类,那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法,其他线程都需要阻塞等待,直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作,就可能造成多个进程阻塞(需要注意的是,其他线程虽然会被阻塞,但如果执行<clinit>()方法后,其他线程唤醒之后不会再次进入<clinit>()方法。同一个加载器下,一个类型只会初始化一次。)。

故而,可以看出INSTANCE在创建过程中是线程安全的,所以说静态内部类形式的单例可保证线程安全,也能保证单例的唯一性,同时也延迟了单例的实例化。

那么,是不是可以说静态内部类单例就是最完美的单例模式了呢?其实不然,静态内部类也有着一个致命的缺点,就是传参的问题,由于是静态内部类的形式去创建单例的,故外部无法传递参数进去,例如Context这种参数,所以,我们创建单例时,可以在静态内部类与DCL模式里自己斟酌。

5.枚举模式

public enum SingleTon{
  INSTANCE;
        public void method(){
        //TODO
     }
}

枚举在java中与普通类一样,都能拥有字段与方法,而且枚举实例创建是线程安全的,在任何情况下,它都是一个单例。我们可直接以SingleTon.INSTANCE的方式调用

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