单例模式与多线程

news2024/10/2 14:36:42

文章目录

  • 一、 简介
  • 二、详细介绍
    • 1. 立即加载/饿汉模式
    • 2. 延迟加载/懒汉模式
    • 3. 使用静态内置类实现单例模式
    • 4. 序列化和反序列化的单例模式
    • 5. 使用static代码块实现单例模式
    • 6. 使用enum枚举数据类型实现单例模式

一、 简介

在标准的23个设计模式中，单例模式在应用中是比较常用的。单多数常规的该模式教学资料并没有结合多线程技术进行介绍，这就造成了在使用多线程的单例子模式时会出现一些意外。这样的代码如果在生产环境中出现异常，有可能造成灾难性的后果。

二、详细介绍

1. 立即加载/饿汉模式

什么是立即加载？立即加载就是使用类的时候已经将对象创建完毕。常见的实现办法就是new实例化。立即加载从中文的语境来看，是“着急”“急迫”的含义。所以也被称为“饿汉模式”。如下面的代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      MyThread t1=new MyThread();
      MyThread t2=new MyThread();
      MyThread t3=new MyThread();

      t1.start();
      t2.start();
      t3.start();

    }
}
class  Myobject{
    //立即加载（静态变量会在类初始化时进行初始化）
    private  static  Myobject myobject=new Myobject();
    private Myobject(){

    }
    public static Myobject getInstance(){
        return myobject;
    }
}

class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        System.out.println(Myobject.getInstance().hashCode());
    }
}

在这里插入图片描述

由打印结果可以知道，hashcode是同一个值，说明对象是同一个对象，也就实现了立即加载型单例模式，现在我们分析一下它存在的问题，它的缺点就是不能有其它实例变量，如果我们在getInstance中加入其它实例变量，并赋值，由于代码没有被同步，所以容易出现非线程安全问题，导致变量值被覆盖，解决方法我们后续再谈。

2. 延迟加载/懒汉模式

延迟加载的定义与原理 延迟加载是开发过程中灵活获取对象的一种求值策略,该策略在定义目标对象时并不会立即计算实际对象值,而是在该对象后续被实际调用时才去求值，所以也被称为懒汉模式。更改上面代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      MyThread t1=new MyThread();
      MyThread t2=new MyThread();
      MyThread t3=new MyThread();

      t1.start();
      t2.start();
      t3.start();

    }
}
class  Myobject{
    //立即加载（静态变量会在类初始化时进行初始化）
    private  static  Myobject myobject;
    private Myobject(){

    }
    public static Myobject getInstance(){
        if(myobject !=null)
        {}else
        {
          myobject=new Myobject();
        }
        return myobject;
    }
}

class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        System.out.println(Myobject.getInstance().hashCode());
    }
}

在这里插入图片描述

由结果可以知道，这种对象加载模式会在多线程中创建多个对象的实例的情况，与单例模式的初衷是背离的。那么如果解决该方案这种错误的单例模式的问题？下面给出了几种解决方案：

  • 声明synchronized关键字

即然多个线程可以同时进入getInstance()方法，我们只需要对getInstance()方法声明synchrozied关键字即可

synchronized  public static Myobject getInstance(){
        try{
            if(myobject !=null){
            }else{
            Thread.sleep(3000);
            myobject=new Myobject();
            }
        }catch(InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        return myobject;
    }

在这里插入图片描述
此方法在加入同步Synchronized关键字后得到相同实例的对象，但整个方法被上锁后，运行效率会非常低，下一个线程想要取得对象，必须等上一个线程释放完锁后，才可以执行。那换成同步代码块可以快速解决吗（对运行的代码块加上锁）？答案是一样的，不能快速解决，原因是同步代码块依然是获得的是对象锁，所以效率依然很低下。下面尝试使用针对某些重要代码进行单独的同步来测试一下：

 public static Myobject getInstance(){
       try{
           if(myobject!=null){

           }else{
               //模拟在创建对象之前做的一些准备工作
               Thread.sleep(3000);
               //使用synchronized(MyObject.class)
               //但还是有非线程安全问题
               //多次创建MyObject类的对象，结果并不是单例
               synchronized (Myobject.class){
                   myobject=new Myobject();
               }
           }
           
       }catch(InterruptedException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }
       return myobject;
    }
}

在这里插入图片描述
此方法使同步synchronized语句块只对实例化对象的关键代码进行同步。从语句的结构上讲，运行效率的确得到了提升，但遇到多线程情况还是无法得到一个实例对象。到底如何解决懒汉模式下的多线程情况呢，下面介绍使用DCL双检查锁机制：

class  Myobject{
    //立即加载（静态变量会在类初始化时进行初始化）
    private volatile static  Myobject myobject;
    private Myobject(){

    }
    public static Myobject getInstance(){
       try{
           if(myobject!=null){

           }else{
               //模拟在创建对象之前做的一些准备工作
               Thread.sleep(3000);
               synchronized (Myobject.class){
                   myobject=new Myobject();
               }
           }
           
       }catch(InterruptedException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }
       return myobject;
    }
}

使用volatile修改变量myObject，使该变量在多个线程间可见，另外禁止myObject=new MyObject()代码重排序。myObject=new MyObject()代码包含3个步骤。

  • memory=allocate() ：分配对象的内存空间
  • ctorInstance()：初始化对象
  • myObject()：设置instance指向刚分配的内存地址

JIT编译器有可能将这三个步骤重排序成。

  • memory=allocate()：分配对象的内存空间
  • myObject=memory：设置instance指向刚分配的内存地址
  • ctorInstance(memory)：初始化对象

这时，构造方法虽然还没有执行，但myObject对象已经具有内存地址，即值不是null。当访问myObject对象中的值是，是当前声明数据类型的默认值。运行结果可以发现，使用DCL双检查锁成功解决了懒汉模式下的多线程问题，DCL也是大多数线程结合单例模式使用的解决方案。

3. 使用静态内置类实现单例模式

DCL可以解决多线程单例模式的非现场安全问题。我们还可以使用其他方法达到同样的效果。

public class  Myobject{
    //内部类方法
    private static class MyObjectHandler{
        private static Myobject myobject=new Myobject();
    }
    private Myobject(){

    }

    public static Myobject getInstance(){
        return MyObjectHandler.myobject;
    }
}

在这里插入图片描述
原理是，静态内部类定义阶段就已经初始化了，在静态内部类定义我的Myobject时，由于它被static修饰，所以在初始化MyObjectHandler类时，它也被初始化了，且只有一个副本，所以访问时也会只存在一个实例，这样就实现了单例模式。

4. 序列化和反序列化的单例模式

如果将单例对象进行序列化，使用默认的反序列化行为取出的对象是多例的。

//定义一个UserInfo对象
public class UserInfo {

}
//定义Myobject类
public class  Myobject implements Serializable{
    private static final long SerializableUID=888L;
    public static UserInfo userInfo=new UserInfo();
    private static Myobject myobject=new Myobject();
    private Myobject(){
        
    }
    publicstatic Myobject getInstance(){
        return myobject;
    }
}
//main函数
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       try{
          Myobject myobject=Myobject.getInstance();
          System.out.println("序列化-myobject="+myobject.hashCode()+"userinfo:"+myobject.userInfo.hashCode());
          FileOutputStream fosref=new FileOutputStream(new File("myObject-File.txt"));
          ObjectOutputStream oosRef=new ObjectOutputStream(fosref);
          oosRef.writeObject(myobject);
          oosRef.close();
          fosref.close();

       }catch(FileNotFoundException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }catch(IOException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }
       try{
           FileInputStream fisRef=new  FileInputStream(new File("myObject-File.txt"));
           ObjectInputStream iosRef=new ObjectInputStream(fisRef);
           Myobject myobject=(Myobject)iosRef.readObject();
           iosRef.close();
           fisRef.close();
           System.out.println("序列化-myObject="+myobject.hashCode()+"userinfo:"+myobject.userInfo.hashCode());

       }catch(FileNotFoundException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }catch(IOException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }catch(ClassNotFoundException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }
    }
}

在这里插入图片描述
从打印结果可以看出，在反序列化时创建了新的MyObject对象，但UserInfo对象得到复用，因为hashcode是同一个。为了实现Myobject对象在内存中一直呈现单例效果，我们可以在反序列化中使用下面方法，对原有的Myobject对象进行复用：

public class  Myobject implements Serializable{
    private static final long SerializableUID=888L;
    public static UserInfo userInfo=new UserInfo();
    private static Myobject myobject=new Myobject();
    private Myobject(){
        
    }
    public static Myobject getInstance(){
        return myobject;
    }
    protected Object readResolve()throws ObjectStreamException{
        return Myobject.myobject;
    }
}

在这里插入图片描述
上面加入的方法的作用是在反序列化时不创建新的Myobject对象，而是复用JVM内存中原有的Myobject单例对象，即UserInfo对象被复用，这就实现了对Myobject序列化和反序列化保持单例性。那么为什么序列化和反序列化会破坏单例模式呢？序列化和反序列化可以破坏单例模式，因为在反序列化过程中，JVM会创建一个新的对象，而不是使用单例类中的静态实例。当一个单例类的实例被序列化并再次反序列化时，会导致创建新的对象，从而破坏了单例的特性。这种情况发生的原因是，当对象被序列化时，它的状态信息被保存到字节流中，而在反序列化时，JVM会根据字节流重新创建对象。由于单例类的构造函数是私有的，无法直接调用，因此JVM无法使用单例类的构造函数来创建实例。相反，它会调用默认的反序列化机制来创建一个新的对象，并忽略掉单例类中的任何特殊实现。为了解决这个问题，需要在单例类中添加一个特殊的方法readResolve()。该方法在反序列化时被调用，并返回原始的单例实例。通过在readResolve()方法中返回单例实例，可以确保在反序列化时仍然使用同一个对象，从而保持了单例的特性。总之，为了在序列化和反序列化过程中保持单例的特性，必须在单例类中实现readResolve()方法，并确保返回单例实例。这样可以防止通过反序列化操作破坏单例模式。

5. 使用static代码块实现单例模式

静态代码块中的代码在类加载的时候就会执行，所以我们可以应用静态代码块这个特性实现单例模式。

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

   }
   static{
       instance =new Myobject();
   }
   public static Myobject getInstance(){
       return instance;
   }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread t1=new MyThread();
      MyThread t2=new MyThread();
      MyThread t3=new MyThread();

      t1.start();
      t2.start();
      t3.start();
    }
}
class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        System.out.println(Myobject.getInstance().hashCode());
    }
}

在这里插入图片描述

6. 使用enum枚举数据类型实现单例模式

枚举enum和静态代码块的特性相似。枚举（Enum）数据类型在Java中可以用于实现单例模式，其原理是利用枚举类型的特性保证了单例的实现。在使用枚举实现单例模式时，只需要定义一个包含单个枚举常量的枚举类。这个枚举常量就是单例的实例，而枚举类本身就是单例类。枚举类中的枚举常量在加载枚举类时就会被实例化，并且枚举常量的实例是线程安全的。这意味着无论是多线程环境下还是通过序列化和反序列化，枚举单例都能保持单例的特性。

public class  Myobject{
  
   public Myobject(){

   }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread t1=new MyThread();
      MyThread t2=new MyThread();
      MyThread t3=new MyThread();

      t1.start();
      t2.start();
      t3.start();
    }
}
class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        System.out.println(Singleton.INSTANCE.getInstance().hashCode());
    }
}
 enum Singleton  {
    INSTANCE;
    
    private  Myobject myobject;
    
    private Singleton(){
        myobject=new Myobject(); 
    }

    public Myobject getInstance(){
        return  myobject;
    }
}

在这里插入图片描述

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