单例设计模式 剑指offer

单例设计模式

1.单例模式的定义

单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

2.单例模式的特点

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

3.单例模式的应用

• 在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。
• 这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态。

4.单例模式的Java代码

单例模式分为懒汉式（需要才去创建对象）和饿汉式（创建类的实例时就去创建对象）。

5.饿汉式

• 属性实例化对象

//饿汉模式：线程安全，耗费资源。
public class HugerSingletonTest {
    //该对象的引用不可修改
    private static final HugerSingletonTest ourInstance = new HugerSingletonTest();

    public static HugerSingletonTest getInstance() {
        return ourInstance;
    }

    private HugerSingletonTest() {}
}

• 在静态代码块实例对象

public class Singleton {
    private static Singleton ourInstance;
    
    static {
         ourInstance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return ourInstance;
    }

    private Singleton() {}
}

分析：饿汉式单例模式只要调用了该类，就会实例化一个对象，但有时我们并只需要调用该类中的一个方法，而不需要实例化一个对象，所以饿汉式是比较消耗资源的。

6.懒汉式

• 非线程安全

public class Singleton {
    private static Singleton ourInstance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (null == ourInstance) {
            ourInstance = new Singleton();
        }
        return ourInstance;
    }

    private Singleton() {}
}

分析：如果有两个线程同时调用getInstance()方法，则会创建两个实例化对象。所以是非线程安全的。

• 线程安全：给方法加锁

public class Singleton {
    private static Singleton ourInstance;

    public synchronized static Singleton getInstance() {
        if (null == ourInstance) {
            ourInstance = new Singleton();
        }
        return ourInstance;
    }

    private Singleton() {}
}

分析：如果有多个线程调用getInstance()方法，当一个线程获取该方法，而其它线程必须等待，消耗资源。

• 线程安全：双重检查锁（同步代码块）

public class Singleton {
    private static Singleton ourInstance;

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

    private Singleton() {}
}

  

分析：为什么需要双重检查锁呢？因为第一次检查是确保之前是一个空对象，而非空对象就不需要同步了，空对象的线程然后进入同步代码块，如果不加第二次空对象检查，两个线程同时获取同步代码块，一个线程进入同步代码块，另一个线程就会等待，而这两个线程就会创建两个实例化对象，所以需要在线程进入同步代码块后再次进行空对象检查，才能确保只创建一个实例化对象。

• 线程安全：静态内部类

public class Singleton {
    private static class SingletonHodler {
        private static final Singleton ourInstance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHodler.ourInstance;
    }

    private Singleton() {}
}

分析：利用静态内部类，某个线程在调用该方法时会创建一个实例化对象。

• 线程安全：枚举

enum SingletonTest {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {
        
    }
}

分析：枚举的方式是《Effective Java》书中提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象，但是在枚举中的其他任何方法的线程安全由程序员自己负责。还有防止上面的通过反射机制调用私用构造器。不过，由于Java1.5中才加入enum特性，所以使用的人并不多。

• 线程安全：使用ThreadLocal

public class Singleton {
    private static final ThreadLocal<Singleton> tlSingleton =
            new ThreadLocal<Singleton>() {
                @Override
                protected Singleton initialValue() {
                    return new Singleton();
                }
            };

    public static Singleton getInstance() {
        return tlSingleton.get();
    }
    
    private Singleton() {}
}

分析：ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。

• 线程安全：CAS锁

public class Singleton {
    private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<>();

    /**
     * 用CAS确保线程安全
     */
    public static Singleton getInstance() {
        while (true) {
            Singleton current = INSTANCE.get();
            if (current != null) {
                return current;
            }
            current = new Singleton();
            if (INSTANCE.compareAndSet(null, current)) {
                return current;
            }
        }
    }

    private Singleton() {}
}

7.指令重排序

• 我们再来思考一个问题，就是懒汉式的双重检查版本的单例模式，它一定是线程安全的吗？我会毫不犹豫的告诉你—不一定，因为在JVM的编译过程中会存在指令重排序的问题。
• 其实创建一个对象，往往包含三个过程。
  对于singleton = new Singleton()，这不是一个原子操作，在 JVM 中包含的三个过程。
• 1>给 singleton 分配内存
• 2>调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
• 3>将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了）
• 但是，由于JVM会进行指令重排序，所以上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是 1-3-2，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被l另一个线程抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以这个线程会直接返回 instance，然后使用，那肯定就会报错了。
• 针对这种情况，我们有什么解决方法呢？那就是把singleton声明成 volatile ，改进后的懒汉式线程安全（双重检查锁）的代码如下：

public class Singleton {
    //volatile的作用是：保证可见性、禁止指令重排序，但不能保证原子性
    private volatile static Singleton ourInstance;

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

    private Singleton() {
    }
}

8.单例模式在JDK8源码中的使用

当然JDK源码中使用了大量的设计模式，那哪些地方使用了单例设计模式呢？

• Runtime类部分源码如下

//饿汉式单例设计模式
public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    private Runtime() {
    }
    
    //省略很多行
}

参考链接

深入浅出单实例Singleton设计模式

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