高併發下線程安全的單例模式（最全最經典）

在所有的設計模式中，單例模式是我們在項目開發中最爲常見的設計模式之一，而單例模式有很多種實現方式，你是否都瞭解呢？高併發下如何保證單例模式 的線程安全性呢？如何保證序列化後的單例對象在反序列化後任然是單例的呢？這些問題在看了本文之後都會一一的告訴你答案，趕快來閱讀吧！

什麼是單例模式?

在文章開始之前我們還是有必要介紹一下什麼是單例模式。單例模式是爲確保一個類只有一個實例，併爲整個系統提供一個全局訪問點的一種模式方法。

從概念中體現出了單例的一些特點：

（1）、在任何情況下，單例類永遠只有一個實例存在

（2）、單例需要有能力爲整個系統提供這一唯一實例 

爲了便於讀者更好的理解這些概念，下面給出這麼一段內容敘述：

在計算機系統中，線程池、緩存、日誌對象、對話框、打印機、顯卡的驅動程序對象常被設計成單例。這些應用都或多或少具有資源管理器的功能。每臺計算 機可以有若干個打印機，但只能有一個Printer Spooler，以避免兩個打印作業同時輸出到打印機中。每臺計算機可以有若干通信端口，系統應當集中管理這些通信端口，以避免一個通信端口同時被兩個請 求同時調用。總之，選擇單例模式就是爲了避免不一致狀態，避免政出多頭。

正是由於這個特點，單例對象通常作爲程序中的存放配置信息的載體，因爲它能保證其他對象讀到一致的信息。例如在某個服務器程序中，該服務器的配置信息可能存放在數據庫或文件中，這些配置數據由某個單例對象統一讀取，服務進程中的其他對象如果要獲取這些配置信息，只需訪問該單例對象即可。這種方式極大地簡化了在複雜環境 下，尤其是多線程環境下的配置管理，但是隨着應用場景的不同，也可能帶來一些同步問題。
    

各式各樣的單例實現

溫馨提示：本文敘述中涉及到的相關源碼可以在這裏進行下載源碼，讀者可免積分下載。

1、餓漢式單例

餓漢式單例是指在方法調用前，實例就已經創建好了。下面是實現代碼：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s01;

public class MySingleton {

    private static MySingleton instance = new MySingleton();

    private MySingleton(){}

    public static MySingleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

以上是單例的餓漢式實現，我們來看看餓漢式在多線程下的執行情況，給出一段多線程的執行代碼：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s01;

public class MyThread extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());
    }

    public static void main(String[] args) {

        MyThread[] mts = new MyThread[10];
        for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
            mts[i] = new MyThread();
        }

        for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
            mts[j].start();
        }
    }
}

以上代碼運行結果：

[plain] view plain copy print?

1. 1718900954  

2. 1718900954  

3. 1718900954  

4. 1718900954  

5. 1718900954  

6. 1718900954  

7. 1718900954  

8. 1718900954  

9. 1718900954  

10. 1718900954  

從運行結果可以看出實例變量額hashCode值一致，這說明對象是同一個，餓漢式單例實現了。

2、懶漢式單例

懶漢式單例是指在方法調用獲取實例時才創建實例，因爲相對餓漢式顯得“不急迫”，所以被叫做“懶漢模式”。下面是實現代碼：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s02;

public class MySingleton {

    private static MySingleton instance = null;

    private MySingleton(){}

    public static MySingleton getInstance() {
        if(instance == null){//懶漢式
            instance = new MySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

這裏實現了懶漢式的單例，但是熟悉多線程併發編程的朋友應該可以看出，在多線程併發下這樣的實現是無法保證實例實例唯一的，甚至可以說這樣的失效是完全錯誤的，下面我們就來看一下多線程併發下的執行情況，這裏爲了看到效果，我們對上面的代碼做一小點修改：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s02;

public class MySingleton {

    private static MySingleton instance = null;

    private MySingleton(){}

    public static MySingleton getInstance() {
        try {
            if(instance != null){//懶漢式

            }else{
                //創建實例之前可能會有一些準備性的耗時工作
                Thread.sleep(300);
                instance = new MySingleton();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return instance;
    }
}

這裏假設在創建實例前有一些準備性的耗時工作要處理，多線程調用：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s02;

public class MyThread extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());
    }

    public static void main(String[] args) {

        MyThread[] mts = new MyThread[10];
        for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
            mts[i] = new MyThread();
        }

        for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
            mts[j].start();
        }
    }
}

執行結果如下：

[plain] view plain copy print?

1. 1210420568  

2. 1210420568  

3. 1935123450  

4. 1718900954  

5. 1481297610  

6. 1863264879  

7. 369539795  

8. 1210420568  

9. 1210420568  

10. 602269801  

從這裏執行結果可以看出，單例的線程安全性並沒有得到保證，那要怎麼解決呢？

3、線程安全的懶漢式單例

要保證線程安全，我們就得需要使用同步鎖機制，下面就來看看我們如何一步步的解決 存在線程安全問題的懶漢式單例（錯誤的單例）。

（1）、 方法中聲明synchronized關鍵字

出現非線程安全問題，是由於多個線程可以同時進入getInstance()方法，那麼只需要對該方法進行synchronized的鎖同步即可：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s03;

public class MySingleton {

    private static MySingleton instance = null;

    private MySingleton(){}

    public synchronized static MySingleton getInstance() {
        try {
            if(instance != null){//懶漢式

            }else{
                //創建實例之前可能會有一些準備性的耗時工作
                Thread.sleep(300);
                instance = new MySingleton();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return instance;
    }
}

此時任然使用前面驗證多線程下執行情況的MyThread類來進行驗證，將其放入到org.mlinge.s03包下運行，執行結果如下：

[plain] view plain copy print?

1. 1689058373  

2. 1689058373  

3. 1689058373  

4. 1689058373  

5. 1689058373  

6. 1689058373  

7. 1689058373  

8. 1689058373  

9. 1689058373  

10. 1689058373  

從執行結果上來看，問題已經解決了，但是這種實現方式的運行效率會很低。同步方法效率低，那我們考慮使用同步代碼塊來實現：

（2）、 同步代碼塊實現

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s03;

public class MySingleton {

    private static MySingleton instance = null;

    private MySingleton(){}

    //public synchronized static MySingleton getInstance() {
    public static MySingleton getInstance() {
        try {
            synchronized (MySingleton.class) {
                if(instance != null){//懶漢式

                }else{
                    //創建實例之前可能會有一些準備性的耗時工作
                    Thread.sleep(300);
                    instance = new MySingleton();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return instance;
    }
}

這裏的實現能夠保證多線程併發下的線程安全性，但是這樣的實現將全部的代碼都被鎖上了，同樣的效率很低下。

（3）、 針對某些重要的代碼來進行單獨的同步（可能非線程安全）

針對某些重要的代碼進行單獨的同步，而不是全部進行同步，可以極大的提高執行效率，我們來看一下：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s04;

public class MySingleton {

    private static MySingleton instance = null;

    private MySingleton(){}

    public static MySingleton getInstance() {
        try {
            if(instance != null){//懶漢式

            }else{
                //創建實例之前可能會有一些準備性的耗時工作
                Thread.sleep(300);
                synchronized (MySingleton.class) {
                    instance = new MySingleton();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return instance;
    }
}

此時同樣使用前面驗證多線程下執行情況的MyThread類來進行驗證，將其放入到org.mlinge.s04包下運行，執行結果如下：

[plain] view plain copy print?

1. 1481297610  

2. 397630378  

3. 1863264879  

4. 1210420568  

5. 1935123450  

6. 369539795  

7. 590202901  

8. 1718900954  

9. 1689058373  

10. 602269801  

從運行結果來看，這樣的方法進行代碼塊同步，代碼的運行效率是能夠得到提升，但是卻沒能保住線程的安全性。看來還得進一步考慮如何解決此問題。

（4）、 Double Check Locking 雙檢查鎖機制（推薦）

爲了達到線程安全，又能提高代碼執行效率，我們這裏可以採用DCL的雙檢查鎖機制來完成，代碼實現如下：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s05;

public class MySingleton {

    //使用volatile關鍵字保其可見性
    volatile private static MySingleton instance = null;

    private MySingleton(){}

    public static MySingleton getInstance() {
        try {
            if(instance != null){//懶漢式

            }else{
                //創建實例之前可能會有一些準備性的耗時工作
                Thread.sleep(300);
                synchronized (MySingleton.class) {
                    if(instance == null){//二次檢查
                        instance = new MySingleton();
                    }
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return instance;
    }
}

將前面驗證多線程下執行情況的MyThread類放入到org.mlinge.s05包下運行，執行結果如下：

[java] view plain copy print?

369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795

從運行結果來看，該中方法保證了多線程併發下的線程安全性。

這裏在聲明變量時使用了volatile關鍵字來保證其線程間的可見性；在同步代碼塊中使用二次檢查，以保證其不被重複實例化。集合其二者，這種實現方式既保證了其高效性，也保證了其線程安全性。

4、使用靜態內置類實現單例模式

DCL解決了多線程併發下的線程安全問題，其實使用其他方式也可以達到同樣的效果，代碼實現如下：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s06;

public class MySingleton {

    //內部類
    private static class MySingletonHandler{
        private static MySingleton instance = new MySingleton();
    }

    private MySingleton(){}

    public static MySingleton getInstance() {
        return MySingletonHandler.instance;
    }
}

以上代碼就是使用靜態內置類實現了單例模式，這裏將前面驗證多線程下執行情況的MyThread類放入到org.mlinge.s06包下運行，執行結果如下：

[java] view plain copy print?

1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954

從運行結果來看，靜態內部類實現的單例在多線程併發下單個實例得到了保證。

5、序列化與反序列化的單例模式實現

靜態內部類雖然保證了單例在多線程併發下的線程安全性，但是在遇到序列化對象時，默認的方式運行得到的結果就是多例的。

代碼實現如下：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s07;

import java.io.Serializable;

public class MySingleton implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    //內部類
    private static class MySingletonHandler{
        private static MySingleton instance = new MySingleton();
    }

    private MySingleton(){}

    public static MySingleton getInstance() {
        return MySingletonHandler.instance;
    }
}

序列化與反序列化測試代碼：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s07;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;

public class SaveAndReadForSingleton {

    public static void main(String[] args) {
        MySingleton singleton = MySingleton.getInstance();

        File file = new File("MySingleton.txt");

        try {
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(singleton);
            fos.close();
            oos.close();
            System.out.println(singleton.hashCode());
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        try {
            FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            MySingleton rSingleton = (MySingleton) ois.readObject();
            fis.close();
            ois.close();
            System.out.println(rSingleton.hashCode());
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

運行以上代碼，得到的結果如下：

[sql] view plain copy print?

865113938
1442407170

從結果中我們發現，序列號對象的hashCode和反序列化後得到的對象的hashCode值不一樣，說明反序列化後返回的對象是重新實例化的，單例被破壞了。那怎麼來解決這一問題呢？

解決辦法就是在反序列化的過程中使用readResolve()方法，單例實現的代碼如下：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s07;

import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;

public class MySingleton implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    //內部類
    private static class MySingletonHandler{
        private static MySingleton instance = new MySingleton();
    }

    private MySingleton(){}

    public static MySingleton getInstance() {
        return MySingletonHandler.instance;
    }

    //該方法在反序列化時會被調用，該方法不是接口定義的方法，有點兒約定俗成的感覺
    protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        System.out.println("調用了readResolve方法！");
        return MySingletonHandler.instance;
    }
}

再次運行上面的測試代碼，得到的結果如下：

[plain] view plain copy print?

1. 865113938  

2. 調用了readResolve方法！  

3. 865113938  

從運行結果可知，添加readResolve方法後反序列化後得到的實例和序列化前的是同一個實例，單個實例得到了保證。

6、使用static代碼塊實現單例

靜態代碼塊中的代碼在使用類的時候就已經執行了，所以可以應用靜態代碼塊的這個特性的實現單例設計模式。

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s08;

public class MySingleton{

    private static MySingleton instance = null;

    private MySingleton(){}

    static{
        instance = new MySingleton();
    }

    public static MySingleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

測試代碼如下：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s08;

public class MyThread extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        MyThread[] mts = new MyThread[3];
        for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
            mts[i] = new MyThread();
        }

        for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
            mts[j].start();
        }
    }
}

運行結果如下：

[java] view plain copy print?

1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954

從運行結果看，單例的線程安全性得到了保證。

7、使用枚舉數據類型實現單例模式

枚舉enum和靜態代碼塊的特性相似，在使用枚舉時，構造方法會被自動調用，利用這一特性也可以實現單例：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s09;

public enum EnumFactory{

    singletonFactory;

    private MySingleton instance;

    private EnumFactory(){//枚舉類的構造方法在類加載是被實例化
        instance = new MySingleton();
    }

    public MySingleton getInstance(){
        return instance;
    }

}

class MySingleton{//需要獲實現單例的類，比如數據庫連接Connection
    public MySingleton(){}
}

測試代碼如下：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s09;

public class MyThread extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(EnumFactory.singletonFactory.getInstance().hashCode());
    }

    public static void main(String[] args) {

        MyThread[] mts = new MyThread[10];
        for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
            mts[i] = new MyThread();
        }

        for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
            mts[j].start();
        }
    }
}

執行後得到的結果：

[java] view plain copy print?

1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610

運行結果表明單例得到了保證，但是這樣寫枚舉類被完全暴露了，據說違反了“職責單一原則”，那我們來看看怎麼進行改造呢。

8、完善使用enum枚舉實現單例模式

不暴露枚舉類實現細節的封裝代碼如下：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s10;

public class ClassFactory{

    private enum MyEnumSingleton{
        singletonFactory;

        private MySingleton instance;

        private MyEnumSingleton(){//枚舉類的構造方法在類加載是被實例化
            instance = new MySingleton();
        }

        public MySingleton getInstance(){
            return instance;
        }
    }

    public static MySingleton getInstance(){
        return MyEnumSingleton.singletonFactory.getInstance();
    }
}

class MySingleton{//需要獲實現單例的類，比如數據庫連接Connection
    public MySingleton(){}
}

驗證單例實現的代碼如下：

[java] view plain copy print?

package org.mlinge.s10;

public class MyThread extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(ClassFactory.getInstance().hashCode());
    }

    public static void main(String[] args) {

        MyThread[] mts = new MyThread[10];
        for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
            mts[i] = new MyThread();
        }

        for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
            mts[j].start();
        }
    }
}

驗證結果：

[java] view plain copy print?

1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
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驗證結果表明，完善後的單例實現更爲合理。

以上就是本文要介紹的所有單例模式的實現，相信認真閱讀的讀者都已經明白文章開頭所引入的那幾個問題了，祝大家讀得開心:-D！

備註：本文的編寫思路和實例源碼參照《Java多線程編程核心技術》-（高洪巖）一書中第六章的學習案例撰寫。