【Java|多线程与高并发】设计模式-单例模式(饿汉式,懒汉式和静态内部类)-Toy模板网

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1. 前言

设计模式是一种在软件开发中常用的解决复杂问题的方法论。它提供了一套经过验证的解决方案，用于解决特定类型问题的设计和实现。设计模式可以帮助开发人员提高代码的可重用性、可维护性和可扩展性。

设计模式有很多,本文主要介绍单例模式.
【Java|多线程与高并发】设计模式-单例模式(饿汉式,懒汉式和静态内部类)

2. 单例模式

单例模式是一种创建型设计模式，它保证一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。

3. 如何保证一个类只有一个实例

在Java中,通常使用static关键字来保证类只有唯一的实例.

在单例模式中，类的构造函数被私有化，以防止外部代码直接创建实例。然后，通过一个静态方法或静态变量来获取类的唯一实例。

如果实例不存在，则创建一个新的实例并返回；如果实例已存在，则直接返回该实例。

而是实现上述的方法有很多,下面介绍三种常见的实现模式:

饿汉式
懒汉式
静态内部类

4. 饿汉式单例模式

饿汉式单例: 在类加载时就创建实例，保证在任何情况下都有一个实例可用。

代码示例:

public class Singleton {
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton() {
		// 私有化构造函数
    }

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

代码分析:
【Java|多线程与高并发】设计模式-单例模式(饿汉式,懒汉式和静态内部类)

私有化构造函数使得外部无法直接创建实例，如果其它线程想到得到Singleton类的实例,只能通过Singleton类提供的getInstance()方法得到.

5. 懒汉式单例模式

懒汉式单例: 延迟加载实例，只有在需要时才创建实例。

代码示例:

public class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;
    private SingletonLazy(){
		// 私有化构造方法
    }
    public static SingletonLazy getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
}

代码分析:
【Java|多线程与高并发】设计模式-单例模式(饿汉式,懒汉式和静态内部类)

如果后续代码中没有调用getInstance方法,那么就把创建实例那一步给省下来了.

上述代码中,那种实现单例模式的方式是线程安全的?

答案是饿汉模式

饿汉模式并没有涉及到修改,而懒汉模式即涉及到读有涉及到修改.那么在多线程模式中就不安全了.

设想一个场景, 如果在懒汉模式下,两个线程同时去调用getInstance方法,如果一个线程读到的instance为null,并给instance进行实例的创建,而另外一个线程读到的instance还是为null,又给instance创建了一次实例.那么instance就被创建多次了

6. 实现线程安全的懒汉式单例

既然懒汉模式在多线程的环境下不安全,那么如果保证懒汉模式在多线程的环境下安全呢?

既然涉及到多线程,就离不开"锁",也就是 synchronized

示例:
【Java|多线程与高并发】设计模式-单例模式(饿汉式,懒汉式和静态内部类)
通过加锁的方式,解决了线程安全问题,但是又带来了新的问题.

懒汉式单例只是第一次调用getInstance方法时才会发生线程不安全问题.一旦创建好了,线程就安全了.

但上述通过加锁的方式,会导致线程已经安全时仍然时需要加锁,有些多此一举了. 且加锁开销比较大,影响效率.

那么如果保证线程安全时不加锁呢?

实例没有创建前,线程不安全.实例创建之后,线程安全. 那么就可以在加锁操作前在进行一次判断.

public class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;
    private SingletonLazy(){

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

代码分析:
【Java|多线程与高并发】设计模式-单例模式(饿汉式,懒汉式和静态内部类)

使用双重if保证只创建一次实例以及保证在线程安全时不进行加锁. 这里要重点进行理解.

但仔细思考上述代码仍然有一个问题.

假如两个线程同时调用getInstance方法,第一个线程拿到锁,进入第二层if,开始进行new对象.

这里的new操作可以分为:

申请内存,得到内存首地址
调用构造方法,来初始化实例
把内存的首地址赋值给instance引用

上述的new操作,编译器可能会进行"指令重排序". 就可能会导致无序写入的问题

上述步骤中的2和3,在单线程环境下是可以调换顺序的,并不会影响结果.

但在多线程环境中就会导致无序写入问题:

线程A执行到instance = new Singleton();这行代码时，由于指令重排序，可能会先执行分配内存空间、初始化实例对象、将instance指向内存空间这三个操作的任意组合，而不是按照代码顺序执行。
假设线程A执行完了分配内存空间和初始化实例对象的操作，但还没有将instance指向内存空间，此时线程B执行到第一个instance == null的判断，结果为false，就会直接返回instance，但此时instance并没有正确初始化。

为了解决上述问题,就可以使用volatile关键字. 它可以禁止指令重排序优化，保证instance的写操作先于读操作，从而避免其他线程在没有正确初始化实例时获取到instance。

public class SingletonLazy {
    private static volatile SingletonLazy instance = null;
    private SingletonLazy(){

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

上述就是一个在多线程环境下完全安全的懒汉式单例模式的写法.

7. 静态内部类实现单例模式

除了上述方式,使用静态内部类也能实现单例模式.

该方式利用静态内部类的特性来实现懒加载和线程安全。

代码示例:

public class Singleton {
    private Singleton() {
        // 私有化构造函数
    }
    
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}