兩種單例模式詳解

對(duì)于一個(gè)軟件系統(tǒng)的某些類而言，我們無須創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例。舉個(gè)大家都熟知的例子——Windows任務(wù)管理器，我們可以做一個(gè)這樣的嘗試，在Windows的“任務(wù)欄”的右鍵彈出菜單上多次點(diǎn)擊“啟動(dòng)任務(wù)管理器”，看能否打開多個(gè)任務(wù)管理器窗口？通常情況下，無論我們啟動(dòng)任務(wù)管理多少次，Windows系統(tǒng)始終只能彈出一個(gè)任務(wù)管理器窗口，也就是說在一個(gè)Windows系統(tǒng)中，任務(wù)管理器存在唯一性。
實(shí)際開發(fā)中，我們也經(jīng)常遇到類似的情況，為了節(jié)約系統(tǒng)資源，有時(shí)需要確保系統(tǒng)中某個(gè)類只有唯一一個(gè)實(shí)例，當(dāng)這個(gè)唯一實(shí)例創(chuàng)建成功之后，我們無法再創(chuàng)建一個(gè)同類型的其他對(duì)象，所有的操作都只能基于這個(gè)唯一實(shí)例。為了確保對(duì)象的唯一性，我們可以通過單例模式來實(shí)現(xiàn)，這就是單例模式的動(dòng)機(jī)所在。

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單例模式定義如下： 單例模式(Singleton Pattern)：確保某一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，而且自行實(shí)例化并向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例，這個(gè)類稱為單例類，它提供全局訪問的方法。單例模式是一種對(duì)象創(chuàng)建型模式。
單例模式有三個(gè)要點(diǎn)：

1. 某個(gè)類只能有一個(gè)實(shí)例；
2. 它必須自行創(chuàng)建這個(gè)實(shí)例；
3. 它必須自行向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例。

結(jié)構(gòu)圖

在單例類的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)只生成一個(gè)實(shí)例，同時(shí)它提供一個(gè)靜態(tài)的getInstance()工廠方法，讓客戶可以訪問它的唯一實(shí)例；為了防止在外部對(duì)其實(shí)例化，將其構(gòu)造函數(shù)設(shè)計(jì)為私有；在單例類內(nèi)部定義了一個(gè)Singleton類型的靜態(tài)對(duì)象，作為外部共享的唯一實(shí)例。

單例模式一般分為兩種，分別是餓漢式與懶漢式，下面就分別講解這兩種模式，并且詳解餓漢式的雙重校驗(yàn)鎖

餓漢式

對(duì)于餓漢式來說，它在定義靜態(tài)變量的時(shí)候?qū)嵗瘑卫悾虼嗽陬惣虞d的時(shí)候就已經(jīng)創(chuàng)建了單例對(duì)象。而且該單例對(duì)象用final修飾，之后每次獲取直接返回即可。

public class HungrySingleton {private static final HungrySingleton singleton=new HungrySingleton();
    private HungrySingleton(){}
    public static HungrySingleton getInstance(){return singleton;
    }
}

懶漢式（雙重校驗(yàn)鎖）

懶漢式單例在第一次調(diào)用getInstance()方法時(shí)實(shí)例化，在類加載時(shí)并不自行實(shí)例化，這種技術(shù)又稱為延遲加載(Lazy Load)技術(shù)，即需要的時(shí)候再加載實(shí)例。
先看一下在單線程情況下的懶漢式單例：

public class LazySingleton {private static LazySingleton singleton=null;
    private LazySingleton(){}
    public static LazySingleton getInstance(){if(singleton==null){singleton=new LazySingleton();
        }
        return singleton;
    }
}

可以看到，在獲取實(shí)例的時(shí)候，會(huì)先判斷一下當(dāng)前的靜態(tài)變量singleton是否為null，如果為null，則為其初始化。如果不為null，則直接返回。
但是這樣的程序在多線程環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)問題?。?！
在多線程環(huán)境下這樣的代碼會(huì)出現(xiàn)問題，因此我們考慮給getInstance()方法加上同步鎖，防止多個(gè)線程同時(shí)訪問getInstance()方法，如下。

public class LazySingleton {private static LazySingleton singleton=null;
    private LazySingleton(){}
    public static synchronized LazySingleton getInstance(){if(singleton==null){singleton=new LazySingleton();
        }
        return singleton;
    }
}

但是這樣一來，每次調(diào)用getInstance()時(shí)都需要進(jìn)行線程鎖定判斷，在多線程高并發(fā)訪問環(huán)境中，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能大大降低。那么如何解決該問題呢？有人提出了雙重校驗(yàn)鎖：
在加鎖之前先判斷一下該靜態(tài)變量是否為null。如果不為null就不需要再加鎖進(jìn)行初始化了。這樣在高并發(fā)的環(huán)境下就不會(huì)出現(xiàn)頻繁獲取鎖的情況了。

public class LazySingletonSyn {private static LazySingletonSyn singleton=null;
    private LazySingletonSyn(){}
    public static LazySingletonSyn getInstance(){if(singleton==null){synchronized (LazySingletonSyn.class){if(singleton==null){	// 標(biāo)記點(diǎn) 1
                    singleton=new LazySingletonSyn();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

現(xiàn)在程序是完美的了嗎？
依然不是！問題出現(xiàn)在singleton=new LazySingletonSyn();語句
由于現(xiàn)代的處理器大多采用指令級(jí)并行技術(shù)。為了提高指令的執(zhí)行效率，在指令執(zhí)行的階段可能會(huì)出現(xiàn)重排序的現(xiàn)象。
我們看上面代碼的標(biāo)記點(diǎn)1singleton=new LazySingletonSyn();
該語句在執(zhí)行的時(shí)候會(huì)被分解為三條(偽)指令：

memory=allocate(); 			//1.分配對(duì)象的內(nèi)存空間
ctorInstance(memory);        //2. 初始化對(duì)象
instance=memory;				//3. 設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址

在上面的偽代碼中，其中2與3可能會(huì)被重排序。

這里涉及到了as-if-serial概念。as-if-serial概念是指不管怎么重排序，單線程程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。而在該語句中，將2，3的執(zhí)行順序改變之后，在單線程的情況下該程序的運(yùn)行結(jié)果不會(huì)被改變。因此2，3可能重排序

一旦被重排序，就可能出現(xiàn)以下的結(jié)果：
如果線程A，B按照下圖的時(shí)間執(zhí)行，那么B線程將會(huì)得到一個(gè)還沒有被初始化的對(duì)象??！

問題就出現(xiàn)在2，3的重排序！那么我們只需要禁止2，3重排序即可。

雙重校驗(yàn)鎖實(shí)現(xiàn)懶漢式
我們只需要對(duì)上面的代碼進(jìn)行很小的改動(dòng)（將singleton聲明為volatile），就可以實(shí)現(xiàn)線程安全的懶漢式單例。

public class LazySingletonSyn {private volatile static LazySingletonSyn singleton=null;
    private LazySingletonSyn(){}
    public static LazySingletonSyn getInstance(){if(singleton==null){synchronized (LazySingletonSyn.class){if(singleton==null){singleton=new LazySingletonSyn();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

解釋如下：
由于singleton被volatile修飾，那么為了實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語義（保證singleton在多線程環(huán)境下對(duì)共享內(nèi)存的可見性），編譯器在生成字節(jié)碼的時(shí)候，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定的指令重排序。
由于singleton=new LazySingletonSyn();是一個(gè)寫操作，在該操作的指令之后，JMM（Java內(nèi)存模型）會(huì)插入一個(gè)storeload內(nèi)存屏障。
此時(shí)的內(nèi)存指令變成：

memory=allocate(); 			//1.分配對(duì)象的內(nèi)存空間
ctorInstance(memory);        //2. 初始化對(duì)象
instance=memory;				//3. 設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址
storeload;							//4. storeload內(nèi)存屏障

該指令（storeload）會(huì)保證在屏障之前的所有內(nèi)存訪問指令全部完成之后，再執(zhí)行該屏障的之后的語句。因此當(dāng)線程B再嘗試singleton==null的時(shí)候，線程A的singleton=new LazySingletonSyn();以及全部執(zhí)行完成了。因此就不會(huì)再出現(xiàn)上面的由于指令2，3重排序?qū)е碌膯栴}了。
其實(shí)就是一句話：
JMM會(huì)禁止volatile寫與其之后可能存在的volatile讀/寫重排序。因此不會(huì)存在上面的圖出現(xiàn)的情況！

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