java單例模式

劉福發布于2019-08-16 10:46 / 2576人閱讀

摘要：單例是一個類，我們希望該類的對象在任意高并發多線程的調用下，只被初始化一次例如用于系統環境和詞典的加載等，后續線程均直接調用即可。我們首先來講解幾種常見的單例模式和其優缺點吧。更多單例模式可以看這里。線程進入區域，此時還未啟動。

寫此文初衷源于昨晚線上代碼拋出的一個空指針異常。單例是一個類，我們希望該類的對象在任意高并發多線程的調用下，只被初始化一次（例如用于系統環境和詞典的加載等），后續線程均直接調用即可。我們首先來講解幾種常見的單例模式和其優缺點吧。

1.懶漢式

// 懶漢式，線程不安全
class SingletonDemo {
    
    // 定義一個私有的靜態全局變量來保存該類的唯一實例
    private static SingletonDemo instance;
    
    private SingletonDemo() {
    
    }
    
    public static SingletonDemo getInstance() {
        // 這里可以保證只實例化一次
        if (instance == null) {  //語句(1)
            instance = new SingletonDemo();
        }
        return instance;
    }
}

以上代碼很明顯不能滿足我們的要求。設想有n個線程同時執行語句(1)，此時實例還未被初始化，因此均判斷為null,于是這n個線程每一個都新建了該類對象。

2.懶漢式改進

// 懶漢式，線程安全，但不高效，因為任何時候只能有一個線程調用getInstance()方法。
class SingletonDemo2 {
    
    private static SingletonDemo2 instance;
    
    private SingletonDemo2() {}
    
    public static synchronized SingletonDemo2 getInstance() { //語句(1)
        if (instance == null) { //區域(1)
            instance = new SingletonDemo2();
        }
        return instance;
    }
}

我們使用synchronized來強制使每個線程串行執行語句(1)，因此永遠只有第一個線程新建了該類對象。那么這段代碼缺點在哪呢？速度慢。假設現在有1000個線程，均在語句(1)處排隊，當第一個線程創建新對象后，剩下999個線程仍然需要排隊，進入區域(1)判斷不為空并返回。

這里懶漢式的意思是：要用的時候才去new。區別于接下來要講的：

3.餓漢式

/**
 * 餓漢式,單例的實例被聲明成static和final，在第一次加載到內存中時會初始化。
 * 
 * 缺點：
 * 不是一種懶加載(lazy initlalization),在一些場景中無法使用：
 * 譬如Singleton實例的創建時以來參數或者配置文件的，在getInstance()之前必須調用
 */
class SingletonDemo5 {
    // 類加載時就初始化
    private static final SingletonDemo5 instance = new SingletonDemo5();
    
    private SingletonDemo5() {}
    
    public static SingletonDemo5 getInstance() {
        return instance;
    }
}

這段代碼利用了jvm對private static final只初始化一次的特性，可以解決多線程問題，但是當我們要在getInstance()前做一些配置工作(例如初始化數據庫連接等)，那么這種方式就捉襟見肘了。

4.雙重檢驗鎖

// 雙重檢驗鎖(double checked) 
class SingletonDemo3 {
    
    private static volatile SingletonDemo3 instance;
    
    private SingletonDemo3() {}
    
    public static SingletonDemo3 getInstance() {
        if (instance == null) {    // 區域(1)
            synchronized (SingletonDemo3.class) {  // 區域(2)
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDemo3(); // 語句(1)
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

雙重檢驗鎖(double checked)。注意到它有2次判斷，一次在同步塊內，一次在同步塊外。假設現在有4個線程T1,T2,T3,T4。T1,T2進入了區域(1)，T3,T4還沒啟動。T1能進入區域(2)創建instance成功，之后T2進入區域(2)，判斷非空并出來。此時T3,T4啟動了，不會進入區域(1)，且無需等待鎖。

instance變量聲明成volatile, 它可以禁止指令重排序優化。
volatile的兩個作用：

禁止指令重排優化。

所修飾的變量一旦被修改，其他線程立即可見。（但是非原子操作，即其他線程可以感知到變量被修改，但無法使用val += 1這種語句使其原子增加。）因此可用于1讀者n寫者的場景，例如點擊"游戲退出按鈕"，其他(金幣累加/音效)線程將立即感知到。

更多單例模式可以看這里。

5.異常問題回放

昨晚報出異常的代碼片段如下：

class WrongSample {
    
    private volatile static WrongSample instance;
    
    private WrongSample() {

    }
    
    public static WrongSample getInstance() {
        if (instance == null) {    // 區域(1)
            synchronized (WrongSample.class) {  // 區域(2)
                if (instance == null) {
                    instance = new WrongSample(); // 語句(1)
                    instance.init(); //語句(2)
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private void init() {
    
    }
}

該代碼使用雙重檢驗鎖構建了一個單例，且對單例進行初始化。那么空指針異常拋出對原因在哪呢？設想現在有線程T1,T2。線程T1進入區域(2)，T2此時還未啟動。T1執行了語句(1)，但并未執行語句2，此時instance已經不是null，所以T2啟動時在區域(1)判斷非null將直接返回instance，但T2并未被初始化，由是產生異常。

解決方案：初始化操作放進構造函數，執行語句(1)時里暗含里執行構造函數。代碼如下：

class WrongSample {
    
    private volatile static WrongSample instance;
    
    private WrongSample() {
        init();
    }
    
    public static WrongSample getInstance() {
        if (instance == null) {    // 區域(1)
            synchronized (WrongSample.class) {  // 區域(2)
                if (instance == null) {
                    instance = new WrongSample(); // 語句(1)
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private void init() {
    
    }
}

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