单例模式以及常见的两种实现模式

news2024/10/7 18:28:01

单例模式是校招中最常考的设计模式之一.

设计模式其实就是类似于“规章制度”，按照这个套路来进行操作。

单例模式能保证某个类在程序中只存在唯一一份实例。而不会创建出多个实例，如果创建出了多个实例，就会编译报错。而不会创建出多个实例，如果创建出了多个实例，就会编译报错。不使用单例模式也可以做到，就像跟别人借钱说我一定会还一样，但是模式就相当于打了欠条，一定得做到的。这一点在很多场景上都需要. 比如 JDBC 中的 DataSource 实例就只需要一个。

单例模式具体的实现方式, 分成 "饿汉" 和 "懒汉" 两种.

饿汉模式

类加载的同时, 创建实例（给人一种很急的感觉）

// 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.
    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 类不小心被复制出多份来.
    // 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();

        // Singleton s3 = new Singleton();
        System.out.println(s == s2);
    }
}

运行一个 Java 程序，会先让 Java 进程找到并读取对应的 .class 文件，就会读取文件内容并解析，构造成类对象......这一系列的过程操作就叫做类加载。

因为 static 修饰的变量落入到了类对象里面，又因为类对象是在类加载阶段内创建出来的唯一一个实例，同时构造方法是 private 修饰的，因此就只有这一个实例的成员了。

懒汉模式

类加载的时候不创建实例，第一次使用的时候才创建实例，如果不用就不创建了（效率更高了）

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 s = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s == s2);
    }
}

上述的这两种模式，饿汉模式只涉及到“读操作”，懒汉模式既涉及到“读操作”也涉及到“写操作”，因此这个在多线程环境下会有线程安全问题。

因此加上 synchronized 可以改善这里的线程安全问题。

public static SingletonLazy getInstance() {
        // 这一层 if 是因为只要对象被 new 了一次就不用再加锁产生更多开销了
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

也就是说，如果对象还有没有创建那么就要进行加锁，如果对象已经创建过了就不用加锁了，因为最后都是“读操作”，此时不加锁也没事。

懒汉模式-多线程版(改进)

假设有很多线程都去进行 getInstance，这个时候就会出现内存可见性问题（编译器优化：只有第一次真正读了内存，后续都是读寄存器 / cache）

同时还会有指令重排序问题：

instance = new Singleton()；可以拆分成三个步骤

1.申请内存空间

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

3.把内存空间的地址赋值给 instance 引用

正常情况下是1 2 3 顺序来执行的，但是编译器会为了提高效率从而调整顺序，可能就变成1 3 2，如果是单线程就没有区别。但在多线程环境下，假设 t1 是按照 1 3 2 执行的，当 t1 执行到 1 3 之后，准备执行 2 的时候，t2 跑过来执行了。此时在 t2 的角度 instance 就非空了，就会直接返回instance 了，但由于 t1 的 2 指令还没执行完，t2 拿到的是一个非法的对象（还没构造完成的不完整的对象），这时候如果尝试使用引用中的属性就会出现错误。例如 instance 里有个成员 num，构造方法是要初始化成100的，但是由于上述问题就导致构造方法还没执行，此时访问 num 是 0。

因此加上 volatile 可以解决内存可见性问题和禁止指令重排序。

class SingletonLazy {
    private volatile static SingletonLazy instance = null;

    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {  //加锁不是这个线程就一直赖着不走，而是切换调度正常，但是其他线程尝试加锁的时候就会阻塞。
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private SingletonLazy() {}
}

public class ThreadDemo20 {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s == s2);
    }
}