【多线程案例】设计模式-单例模式

1.单例模式

什么是单例模式？

所谓单例，即单个实例。通过编码技巧约定某个类只能有唯一一个实例对象，并且提前在类里面创建好一个实例对象，把构造方法私有化，再对外提供获取这个实例对象的方法，（方法名通常是用getInstance这个名称）。

根据创建时机不同，分为两种：

1.类加载的时候创建，也称为饿汉模式。

public class Singleton {
    
    //私有构造方法 禁止外界创建实例对象
    private Singleton() {

    };

    //唯一实例对象
    private static Singleton instance = new Singleton();

    //为外界提供获取唯一实例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

2.在第一次使用的时候创建，也称为懒汉模式但这种有线程安全问题。

public class SingletonLazy {

    //私有构造方法
    private SingletonLazy() {}
    //实例对象
    private static SingletonLazy instance = null;
    //首次调用该方法时才真正创建出实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }

}

总结：

高效性：饿汉模式是在类加载的时候就会创建实例，不管后面用不用得到，都会创建出来。而懒汉模式是只有你真正用了，才会创建出实例，如果不用则不创建，这样也就比较灵活，也就省下了创建实例这一开销。

比如有个非常大的文档(10G)需要打开，有两种方式打开：

先把所有的内容都加载到内存中，然后再显示内容。即饿汉。
先只加载一部分数据到内存，立即显示内容。随着用户翻页，再动态加载其他内容。即懒汉。

为什么懒汉模式会有线程安全问题？

先来说说线程安全问题产生的原因。

如果多个线程同时修改同一个变量，就有可能出现线程安全问题。
如果多个线程同时读取同一个变量，是不会出现线程安全问题的。

饿汉模式中是直接创建实例并返回实例，而懒汉模式是通过判断进行了修改，既读又修改。这种判断再修改就可能会导致线程不安全问题（因为可能会new多次，创建多个实例的话就不是单例模式了）。假设有两个线程 t1，t2，假如t1进行判断instance为null,准备new时，这时候可能会出现t1还没new呢，t2就开始判断instance是否为null。那此时instance肯定为null。这样的话，实例就会被创建多次。显然这就违背了单例模式的要求：单个实例。

如何使懒汉模式线程安全？

进行加锁。

加锁也得注意咋加，要看加的合不合适，不是说加了就好了。

比如这种加锁：

public class SingletonLazy {

    //私有构造方法
    private SingletonLazy() {}
    //实例对象
    private static SingletonLazy instance = null;
    //首次调用该方法时才真正创建出实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if(instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                instance = new SingletonLazy();
            }
        }
        return instance;
    }

}

缺点：没有使 if判断和 new操作成为一个整体，虽然在实例对象的时候加锁了，但是线程在if判断的时候，没有加锁，还是会出现误判。假设有两个线程t1，t2，由于if判断并没有加锁，两个线程是可以同时判断的，如果t2线程刚好在t1线程判断instance为nullt1线程进入new之前或还没new完时t2进行if判断，也是会创建多个实例对象的，这就导致虽然new的时候加了锁线程是顺序执行的，但new外面的逻辑线程还是随机调度的。于是给整个if上锁。

public class SingletonLazy {

    //私有构造方法
    private SingletonLazy() {}
    //实例对象
    private static SingletonLazy instance = null;
    //首次调用该方法时才真正创建出实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        synchronized (SingletonLazy.class) {
            //if和new成为一个整体
            if(instance == null) {
                instance = new SingletonLazy();
            }
            
        }
        return instance;
    }

}

这样加锁弥补了上一个代码的缺点，但是还有一个问题，加锁这种操作就是把调度的随机性改为顺序执行了，那效率，性能必然会大打折扣，况且我们把加锁放在最外面的话，只要用到实例都要加锁，而创建实例对象只有在首次时会发生线程不安全，其实加锁一次就行，用不着回回都进行加锁。这个代码线程虽然是安全了，但是同时效率也降低了，那么有没有一种既能使线程安全又能使效率比较快的代码逻辑呢？当然有，一种方法是在加锁外面再加一层if判断。即两层if。代码如下：

public class SingletonLazy {

    //私有构造方法
    private SingletonLazy() {}
    //实例对象
    private static SingletonLazy instance = null;
    //首次调用该方法时才真正创建出实例
    public static SingletonLazy getInstance() {

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

}

外面这层if就是用来判断对象是否创建好，如果创建好了，就不用进入外层if加锁，直接执行return。代码效率一下提高。如果没创建好，才会进入并加锁。而不是想上面代码频繁加锁。里面的if是判断是否需要new对象。

但是上面代码还是会有一个问题，就是指令重排序问题。

指令重排序问题是什么？

说到底和内存可见性一样，都是编译器为了增加效率，而对原有代码的执行顺序做出调整。调整的前提是保持逻辑不变。

举个例子：假如我们去超市买东西，需要买菜，买衣服，买首饰，买玩具。此时若按照衣服，玩具，首饰，菜这种顺序效率是最高的。

在单例模式中，new操作，时可能会触发指令重排序问题的，new操作可分为三步：

申请内存空间。
在内空间上构造对象(构造方法)。
给对象引用。

其中1的顺序不变，2和3的顺序是可以换的。执行1->2->3顺序使我们希望的，但若是执行1->3->2顺序，执行到3时，对象虽然不是null了，但是此时的对象还没有初始化，贸然使用是非法的。若有两个线程，一个线程才执行到1->3，另一个线程去使用还未new完的这个对象，就会引发异常。

但虽然这样说，我们不是加了锁吗，那不应该是其他没加锁的线程阻塞等待加锁的这个线程执行完new的三步后，释放锁后，其他线程才能继续执行吗，为什么我加锁的线程还没new完，甚至是还没释放锁呢，其他线程就已经去使用对象了？原因是：另一个线程压根就没进入外层if。一个线程加锁，没拿到锁的等待，不是锁一个线程拿到锁了，不管其他线程在干嘛都得停下来等待，而是执行到有synchronized语句时，才等待。既然这个线程都没进入外层if，肯定碰不到synchronized语句，就会直接return，实例就被拿去使用了。

上述问题的核心是解决指令重排序问题，解决办法就是给实例对象加volatile修饰。

public class SingletonLazy {

    //私有构造方法
    private SingletonLazy() {}
    //实例对象
    private static volatile SingletonLazy instance = null;
    //首次调用该方法时才真正创建出实例
    public static SingletonLazy getInstance() {

        if(instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }

        return instance;
    }

}

应用场景举例：

外部资源：每台计算机有若干个打印机，但只能有一个PrinterSpooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机。内部资源：大多数软件都有一个（或多个）属性文件存放系统配置，这样的系统应该有一个对象管理这些属性文件。
Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式（这个很熟悉吧），想想看，是不是呢，你能打开两个windows task manager吗？不信你自己试试看哦~
windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。
网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。
应用程序的日志应用，一般都何用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。
Web应用的配置对象的读取，一般也应用单例模式，这个是由于配置文件是共享的资源。
数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池，主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗，这种效率上的损耗还是非常昂贵的，因为何用单例模式来维护，就可以大大降低这种损耗。
多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式，这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。
操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。
HttpApplication 也是单位例的典型应用。熟悉ASP.Net(IIS)的整个请求生命周期的人应该知道HttpApplication也是单例模式，所有的HttpModule都共享一个HttpApplication实例。