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单例模式

饿汉模式 

懒汉模式

问题一 

问题二 

问题三

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单例模式

单例模式，是设计模式的一种。在有些特定场景中，有的特定的类，只能创建出一个实例，不应该创建多个实例。单例模式就可以保证这样的需求。例如JDBC中的DataSource就适用于单例模式。常见的实现单例模式的方式有：饿汗模式和懒汉模式。

饿汉模式 

使用 Singleton 类来创建对象。

private static Singleton instance = new Singleton();

用 static 来修饰，因此 instance的属性与实例无关，而是与类相关。由于类对象在一个java进程中，只有唯一的一份，因此类对象内部的 类属性 也是唯一的一份。

同时，这个类对象的创建是在类加载过程创建的，类加载对于运行过程来说是比较靠前的阶段，这就给人一种 “十分急切” 的感觉，因此也就称为饿汉模式。（因此也可以理解为饿汉模式也就是创建对象特别早）

（java代码中的每一个类，都会在编译完成后得到唯一的 .class 文件。当 jvm 运行的时候，就会加载这个 .class 文件读取其中的二进制指令，并且在内存中构造出对应的类对象，形如下述代码中的 Singleton.class）

static保证了这个实例的唯一性：

1.static使 instance 属性是类属性，类属性是对类对象而言的，类对象又是唯一实例的（在类加载阶段被创造出的一个实例）

2.构造方法是设为 private，因此外面的代码中无法new。

（运行一个java程序，就需要让java进程能够找到并读取对应的 .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，也称为类加载过程。要执行 java 程序的前提就是得把类加载起来）

在保证了这个实例的唯一性的同时，也保证了这个实例在一个比较早的时机被创建。

实际上类对象本身和 static 没有关系，而是类里面使用 static 修饰的成员，会作为类属性。也就相当于这个属性对应的内存空间在类对象里。

// 饿汉模式的 单例模式 的实现
// 此处保证 Singleton 这个类只能创建出一个实例
class Singleton{
    //此处先把实例创建出来
    private static Singleton instance = new Singleton();

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

    // 为了避免 Singleton 类不小心被复制多份出来
    // 把构造方法设为 static ，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 s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

在饿汉模式中，如果是多线程调用，只涉及到 “读操作” ，因此是没有线程安全问题的。 

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(){}
}

从上述代码中，可以看出实例的创建并非是类加载的时候创建了，而是等到真正第一次使用的时候，判断条件：如果instance为null，这个时候才去创建实例。也就是说当不需要使用的时候，就不会创建实例。

这也就是所谓的懒汉模式，虽说是“懒”，但从效率上来看，需要使用的时候才创建，这样的效率是更高的。

问题一 

在懒汉模式中，既涉及到 “读操作”，也涉及到 “写操作”，因此是可能存在线程安全问题的。

通过前面的讲解，也可以发现程序实际上是通过多条指令来执行的，所以在懒汉模式中的getInstance方法中，先大致整体分为如下指令：

load：从内存中读取instance的值；

cmp：对 instance的值与 null 进行比较；

若条件满足，则进行new操作；

save：将new的值赋给instance；

以一种线程不安全的例子来讲解： 

 从中我们就可以看出，这里的线程安全问题，本质上就是读，比较和写操作不是原子的，这就导致了线程t2 读到的值可能是线程t1 还没来得及写的。这也就是脏读问题。

解决办法也就是对这三个操作进行加锁。 

class SingletonLazy{

        private static SingletonLazy instance = null;

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

 这时候 t2线程load得到的结果就是 线程t1 修改后的结果了，也就不再是null值了，因此不再创建新对象，而是返回现有对象。

问题二 

此时的代码，在每次 getInstance 操作的时候都会进行加锁，而加锁操作是有一定开销的；

而实际上，这里的加锁操作只需要针对在 new 出对象之前，才是有意义的。一旦 new 完对象了，后续调用 getInstance ，此时 instance 的值一定是非空的，所以加锁操作是没有必要的，所以可以做出如下优化：如果对象还没创建，就加锁；如果对象已经创建过了，就不用加锁；

 class SingletonLazy{

        private static SingletonLazy instance = null;

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

 加锁 if 条件之后，负责判定是否需要加锁，此时就不再是无脑加锁了，也就提高了运行效率。

问题三

此时的代码依旧存在线程安全问题，假设有很多线程，都去进行 getInstance，这个时候，是有可能会被优化的，正如我们之前所讲的情况：只有第一次读才是真正读了内存，后续的读都是读取寄存器/cache，这也就涉及到内存可见性问题了。

除此之外，指令重排序也是会导致线程安全问题的。

instance = new SingletonLazy();

这条语句会有三条指令：

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，是按照123的顺序来执行的，但编译器为了提高程序效率，可能就会调整执行顺序，在多线程的环境下，就会可能出现线程安全问题。（单线程环境下没有关系）

例如：假设线程t1 按照 132的顺序来执行，t1线程执行完1 3之后，在执行2 之前，被切出CPU了，这时候线程t2 进行执行，就会发现instance 的引用非空，那么线程t2 就会直接返回instance引用，并且可能会尝试使用 引用的属性。但由于线程t2 此时拿到的是非法的对象，也就是没构造完成的不完整的对象，再去使用的话就会出现线程安全问题。

因此针对这个问题，就需要使用volatile来修饰，volatile 解决两个问题：

1.内存可见性；2.指令重排序；

因此最终优化后的代码为：

//经典面试题，解决多线程安全问题！！！
// 懒汉模式的 单例模式 的实现
    class SingletonLazy{
    private volatile static SingletonLazy instance = null;      //volatile来解决内存可见性，指令重排序

    public static SingletonLazy getInstance(){
        if(instance == null){                           //不再是无脑加锁，而是满足判断是否为空再加锁
            synchronized (SingletonLazy.class) {                //对类对象进行加锁
                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);
    }

}