2023.10.19 关于单例模式详解

引言

单例模式

饿汉模式

懒汉模式

懒汉模式线程安全问题

分析原因

引言

设计模式为编写代码的约定和规范

阅读下面文章前建议点击下方链接明白对象和类对象

对象和类对象

单例模式

单个实例（对象）
在某些场景中有特定的类，其只能被创建出一个实例，不应该被创建多个实例
而单例模式就针对上述的需求场景进行更强制的保证
通过巧用 java 的现有语法，实现了某个类只能被创建出一个实例的效果
从而当程序员不小心创建出多个实例时，会编译报错

实例理解：

JDBC 编程中的 DataSource 类，我们仅连接一个数据库时
DataSource 类描述数据的来源，用于获取数据库连接，因为数据只来源于一个数据库，所以我们仅创建一个实例即可，无需创建多个实例
从而该场景适合使用单例模式

具体思路：

static 关键字可以将成员变量或方法声明为静态的，让它们属于类级别而不是实例级别
因此我们可以将单例对象声明为静态变量，让其可以在任何地方直接通过类名来访问，无需创建类的实例
从而这样便可以方便地获取单例对象，并且对于多个调用者来说，始终返回同一个实例

简单理解：

static 关键字将单例对象转为静态变量
因此单例对象便从与实例相关联转为与类相关联
又因为在一个 java 进程中，对于同一个类，只会存在一个对应的类对象
所以该类对象内部的类属性也仅会存在一份，也就是作为类属性的单例对象也仅会存在一份

饿汉模式
// 饿汉模式的 单例模式 实现
// 此处保证 Singleton 这个类只能创建出一个实例
class Singleton {
//    在此处，先把这个实例给创建出来了
//    使用 private 修饰是为了防止在类外对 Singleton 实例 instance 进行修改
    private static Singleton instance = new Singleton();

//    如果需要使用这个唯一实例，统一通过 Singleton.getInstance() 方式来获取
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

//    为了避免 Singleton 类不小心被复制出来多份
//    把构造方法设为 private ，在类外面就无法通过 new 的方式来创建这个 Singleton 实例了
    private Singleton() {}
}

public class ThreadDemo19 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton s = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(s == s2);
    }
}
该模式表示在类加载阶段，就已经把实例创建出来了
所以 "饿汉" 一词便体现出创建该实例的急迫感

懒汉模式
class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;

    public static SingletonLazy getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
    private SingletonLazy(){}
}

public class ThreadDemo20 {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}
该模式在创建实例时并非是在类加载阶段，就已经把实例创建出来了
而是当真正第一次使用的时候才创建实例
所以相比于 "饿汉" 模式创建实例的急切感，"懒汉" 模式则显得没那么着急

阅读下面文章之前建议点击下方链接了解清楚线程安全问题

线程安全问题详解

懒汉模式线程安全问题

相比于饿汉模式仅涉及到读操作
懒汉模式则既涉及到写操作又涉及到读操作

显然懒汉模式有着线程安全问题

分析原因

懒汉模式线程安全问题的本质为读操作、比较操作、写操作这三个操作并不是原子的
从而便会导致线程t2 读到的 instance 值可能是线程t1 还没来得及写的
这也就是我们常说的脏读

此时我们便可以利用 synchronized 关键字来进行加锁，使得上图中的指令变为原子的
public static SingletonLazy getInstance() {
        synchronized (SingletonLazy.class) {
            if(instance == null) {
                instance = new SingletonLazy();
            }
        }
        return instance;
    }
加锁的对象是 SingletonLazy.class 类对象
该锁是基于类的

虽然对 SingletonLazy.class 类对象进行加锁能解决多线程之间脏读的问题
但是也导致了每次调用 getInstance 方法时都需要先进行加锁，才能进入方法内部进行判断 instance 是否为空，非空则触发 return 直接返回单例对象
我们要清楚的一点是加锁操的开销还挺大，会涉及到用户态到内核态之间的切换，这样切换成本的成本是很高的
要注意到的是在 new 完单例对象之后，后续再调用 getInstance 方法时，我们仅会直接返回单例对象，即仅涉及到读操作，这是没有线程安全问题的
所以在 new 出对象之前有加锁操作，这是十分有必要的，即任意线程第一次调用getInstance 方法
在 new 完单例对象之后，我们无需再进行加锁操作，这样便可以很大程度上提高效率
public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null){
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
我们便可以在加锁操作的外层再加上个 if 判断，判断 instance 对象是否已经被创建出来了
从而该代码只会在任意线程第一次调用 getInstance 方法时，才会进行加锁操作
从而此处不再是无脑加锁，而是满足了特定条件之后，才真正加锁

我们需要理解此处为什么会有两个相同的 if 判断
首先如果这两个 if 判断之间没有加锁操作，那么写两个一模一样 if 判断是毫无意义的
但是正因为这两个 if 判断之间有加锁操作，而加锁操作就可能会引起线程阻塞，当线程竞争到锁之后，再执行到第二个 if 判断的时候，可能与第一次执行 if 判断之前隔了很长一段时间

举例理解：

线程A 第一次调用 getInstance 方法，读取到 instance 为 null，通过第一次 if 判定，并成功为锁对象进行加锁操作，然后再次读取到 instance 为 null，通过第二次 if 判定，进而直接 new 出一个 instance 对象，最后再将锁释放
可能线程B 比线程A 晚一点点的调用了 getInstance 方法，可能此时线程A 并未修改完instance 的值，从而线程B 读取到 instance 为 null，通过了第一次 if 判定，然后进行阻塞等待线程A 释放锁，但正是在线程B 等待锁的在这段时间里，线程A 已经将 instance 对象给创建出来了，此时线程B 再获取到锁时，instance 的值已经发生改变了，线程B 再次读取 instance 的值，此时 instance 不为 null，从而未通过第二次 if 判断，直接返回 instance 的值，这就意味着第二次 if 判断成功阻止了线程B 再创建一个新的 instance 对象
根据上述例子，深入理解图中第一个 if 负责判定是否要加锁，解决了每次调用getInstance 方法时都需要引入无意义的加锁操作，很大程度上减少了开销，第二个 if 负责判定是否要创建对象，是最初为了保障单例模式，引入的必要条件
这两 if 判断的目的是完全不相同的，只是碰巧代码是一样的！

上述仅解决了多线程之间脏读的问题，但是还可能会有内存可见性问题
假设有很多线程，都去执行 getInstance 方法，这个时候便可能存在被优化的风险，即只有第一次读才是真正读了内存，后续都是读寄存器或 cache
同时还可能涉及到指令重排序问题
编译器为了提高程序的效率，调整代码执行顺序
即我们可以将 instance = new Singleton()，拆分为三个步骤
步骤 1：申请内存空间
步骤 2：调用构造方法，把这个内存空间初始化成一个合理的对象
步骤 3：把内存空间的地址赋值给 instance 引用
编译器可能将步骤的执行顺序由 1、2、3，优化重排序为 1、3、2
如果仅是在单线程场景下，执行步骤的调换是没有任何影响的
但是如果是在多线程环境下，我们举一个简单例子来理解指令重排序所带来的问题

举例理解：

假设编译器优化指令重排序，线程A 的步骤执行顺序变为 1、3、2，如果线程A 执行完步骤 1、3，正当要执行步骤 2 时，被切出 CPU，CPU 调度执行线程B
我们要注意到的是，此时线程A 执行完步骤 1、3 后会创建出一个非法对象，即该对象仅分配了内存，其数据是无效的，只有执行完步骤 2 才会把这个内存空间初始化成一个合理的对象
那么当 CPU 调度执行线程B 时，线程B 又正好调用 getInstance 方法，此刻便会进入第一个 if 判断，获取 instance 对象的值，来判断是否为 null
因为 instance 对象已经被分配好了内存空间，所以线程B 获取到的 instance 对象值并不会为 null
所以线程B 将会直接返回该 instance 对象
注意此处线程B 返回的 instance 对象是上述讲的非法对象，即仅分配了内存，其数据是无效的
所以之后线程B 拿着这个非法对象，来进行使用便将会出现许多问题和错误

解决方法：

引入 volatile 关键字
volatile 关键字的功能正好能解决内存可见性和指令重排序
class SingletonLazy {
    private volatile static SingletonLazy instance = null;

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

    private SingletonLazy(){}
}

public class ThreadDemo20 {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}
以上完整的代码便是线程安全的懒汉模式完全体