多线程应用——单例模式

单例模式

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一.什么是单例模式

单例模式（Singleton Pattern）顾名思义，在程序中一个类只有一个对象实例。例如我们在JDBC编程中，我们创建了一个简单类DataSource，只要从DataSource中获取数据库连接即可，不用创建多个DataSource对象。

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。

二.如何实现

1.口头实现

2.利用语法特性

  • 本质上就是利用编程语言自身的特性，强行限制某个类不能创建多个实例
  • static修饰一个变量后，这个变量就从一个普通的成员变量属性变成了类对象的成员变量
  • 在JVM中一个类只要一个类对象，从而保证了static变量的唯一性

三.实现方式（饿汉式+懒汉式）

1.饿汉式

public class SingletonHungry{
    //类的成员变量
    private static Singleton instance=new Singleton();
    //私有化构造方法
    private SingletonHungry(){ }
    
    /**
     * 对外获取类成员方法
     * @return
     */
    public static SingletonHungry getInstance(){
        return instance;
    }
}

饿汉式：需要急迫的创建这个实例，类在加载的过程中就创建出来了

描述：这种方式比较常见，但容易产生垃圾对象

  • 优点：没有加锁，执行效率高
  • 缺点：类加载时就初始化，浪费内存

2.懒汉式

public class SingletonLazy{
    //类的成员变量
    private static Singleton instance=null;
    //私有化构造方法
    private Singleton(){ }
    
    /**
     * 对外获取类成员方法
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance(){
        //判断一个需要返回的对象是否为空
        if (instance==null){
            //创建对象
            instance=new SingletonLazy();
        }
        //返回单例对象
        return instance;
    }
}

懒汉式：什么时候用什么时候才去创建，不要程序启动的时候创建，从而节省了程序启动时的开销

3.线程安全的单例模式

在多线程中，饿汉式只是获取变量而不是修改变量；而懒汉式是修改共享变量，因此存在线程安全问题。

我们用上面的代码做一测试

public class Demo_SingletonLazy {
    public static void main(String[] args) {
        //多个线程获取单例对象
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                SingletonLazy instance = SingletonLazy.getInstance();
                System.out.println(instance);
            });
            thread.start();
        }
    }
}

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我们知道造成线程安全问题的原因有 原子性、内存可见性、有序性

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通过上图分析得出问题：不满足原子性，那该如何解决呢，当然是加锁。

public class SingletonLazy{
    //类的成员变量
    private static Singleton instance=null;
    //私有化构造方法
    private Singleton(){ }
    
    /**
     * 对外获取类成员方法
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance(){
        synchronized(SingletonLazy.class){
            //判断一个需要返回的对象是否为空
        	if (instance==null){
            	//创建对象
            	instance=new SingletonLazy();
        	}
        }
        //返回单例对象
        return instance;
    }
}

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加锁之后，我们看到问题也解决了，但此时还有一个非常严重的问题：效率问题

  1. 当变量没有初始化时，第一次创建可能会出现线程问题，因为多个线程可能创建实例
  2. 当实例变量被创建后，new操作将永远不会执行了，因为获取到的实例不为null了
  3. 那么synchronized的锁就没有必要加了，因为实例已经创建好了，之后线程拿到锁之后只是判断一下实例是否为空，不会去new了，如果不为null就什么也不干就把锁释放了，这样一来锁白加了，资源也白白浪费了

synchronizeed看上去是一个关键字，可能会涉及到用户态–>内核态之间的切换，这个成本是比较高的，我们为了保证程序正确执行的基础可以承担这个成本，但是没有必要做无用的消耗

4.双重检查锁

既然在第一次创建完实例后加锁是为了判断实例是否为空，那么不如将判断为空放到加锁之前，避免因为上述原因而造成资源浪费

public class SingletonDCL {

    //定义一个类的成员变量
    private static SingletonDCL instance=null;

    private SingletonDCL(){}

    public static SingletonDCL getInstance(){
        //第一层判断是否需要加锁
        if (instance==null){
            synchronized (SingletonDCL.class){
                //第二层加锁判断是否需要创建对象
                if (instance==null){
                    //创建对象
                    instance=new SingletonDCL();
                }
            }
        }
        //返回单例对象
        return instance;
    }
}

5.禁止指令重排序

上述代码还存在一个严重问题，那就是指令重排序问题

假设一个线程在调用getInstande()方法时，拿到了锁，进入了第二层开始new对象：

new对象本质分为三步：

  1. 申请内存空间
  2. 调用构造方法，初始化实例
  3. 把内存首地址赋给对象的引用

可以看出1和3有逻辑关系，2是在这个内存空间里填充数据

如果这里指令重排序，造成执行顺序为1 3 2 那么这个时候又有一个线程执行到第一层的判断，这里的instance就不为空了，返回一个没有完成初始化的对象。这种情况也是很危险的

为了防止指令重排序，给变量加入关键字volatile

public class SingletonDCL {

    //定义一个类的成员变量
    private static volatile SingletonDCL instance=null;//禁止指令重排序，也保证了在对共享变量修改时的内存可见性

    private SingletonDCL(){}

    public static SingletonDCL getInstance(){
        //第一层判断是否需要加锁
        if (instance==null){
            synchronized (SingletonDCL.class){
                //第二层加锁判断是否需要创建对象
                if (instance==null){
                    //创建对象
                    instance=new SingletonDCL();
                }
            }
        }
        //返回单例对象
        return instance;
    }
}

看完留个三连吧