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设计模式---单例模式

🕗 发布于 2024-11-29 05:38 单例模式  设计模式  java  

单例模式：确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点, 本文介绍6中常用的实现方式

image.png

懒汉式-线程不安全

以下实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致多次实例化 uniqueInstance。

public class Singleton {

private static Singleton uniqueInstance;

private Singleton() {
}

public static Singleton getUniqueInstance() {
if (uniqueInstance == null) {
uniqueInstance = new Singleton();
}
return uniqueInstance;
}
}

饿汉式-线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被多次实例化，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。

但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

懒汉式-线程安全

只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了多次实例化 uniqueInstance 的问题。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，因此性能上有一定的损耗。

public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
if (uniqueInstance == null) {
uniqueInstance = new Singleton();
}
return uniqueInstance;
}

双重校验锁-线程安全

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

public class Singleton {

private volatile static Singleton uniqueInstance;

private Singleton() {
}

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

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程同时执行 if 语句，那么两个线程就会同时进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化，从而产生了两个实例。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句。

if (uniqueInstance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
uniqueInstance = new Singleton();
}
}

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的。uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行。

  1. 分配内存空间
  2. 初始化对象
  3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，有可能执行顺序变为了 1>3>2，这在单线程情况下自然是没有问题。但如果是多线程下，有可能获得是一个还没有被初始化的实例，以致于程序出错。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

静态内部类实现

当 Singleton 类加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由虚拟机提供了对线程安全的支持。

public class Singleton {

private Singleton() {
}

private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}

public static Singleton getUniqueInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}

枚举实现

这是单例模式的最佳实践，它实现简单，并且在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候，能够防止实例化多次。

public enum Singleton {
INSTANCE;
}

考虑以下单例模式的实现，该 Singleton 在每次序列化的时候都会创建一个新的实例，为了保证只创建一个实例，必须声明所有字段都是 transient，并且提供一个 readResolve() 方法。

public class Singleton_Enum{
public static void main(String[] args) {
// 获取Singleton的唯一实例
Singleton singleton1 = Singleton.INSTANCE;
Singleton singleton2 = Singleton.INSTANCE;
System.out.println(singleton1 == singleton2);//true
}
}

如果不使用枚举来实现单例模式，会出现反射攻击，因为通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象。如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止实例化第二个对象的代码。

从上面的讨论可以看出，解决序列化和反射攻击很麻烦，而枚举实现不会出现这两种问题，所以说枚举实现单例模式是最佳实践。

CAS自旋单例

到目前为止，前面已经叙述了六种不同的单例实现方式，可上面的方式，多少都有直接或间接的了synchronized的保障线程安全，为什么这么说呢？比如前面的饿汉式、枚举、静态内部类，本质都是借助类加载的时候来初始化单例对象，即依赖于ClassLoader的线程安全机制。

如果对类加载机制比较熟悉的小伙伴应该知道，ClassLoader的线程安全机制依赖于synchronized实现，如下：

image.png

在类加载的源码中，第一行代码就是synchronized关键字，因此，除非被重写loadClass()方法，否则默认在类加载过程中都会依赖synchronized保障线程安全。那么如果不依赖于synchronized，又该如何实现一个线程安全的单例呢？

其实在《并发编程专栏》中提到过一种保证线程安全的无锁机制，即CAS结合自旋的乐观锁策略。

这种无锁机制，当出现多条线程同时更新同一个变量时，也能保证只会有一个线程能成功更新变量的值。至于更新失败的线程也不会被挂起，而是被告知这次更新失败，可以再次尝试更新，对应实现的单例代码如下：

public class CasSingleton {

    /*
    * 原子引用类型
    * */
    private static final AtomicReference<CasSingleton> INSTANCE = 
                            new AtomicReference<CasSingleton>();

    /*
    * 私有化构造函数
    * */
    private CasSingleton() {}

    /*
    * 公开化获取单例方法
    * */
    public static CasSingleton getInstance() {
        // 开启自旋
        for (; ;) {
            // 获取原子引用中的单例对象
            CasSingleton singleton = INSTANCE.get();
            // 如果单例对象已经被创建，则直接返回获取到的单例对象
            if (null != singleton) {
                return singleton;
            }

            // 如果原子引用中的单例对象还未被初始化，则创建一个对象放进去
            singleton = new CasSingleton();
            if (INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) {
                return singleton;
            }
        }
    }
}

这里用到了JUC包中提供的原子引用类，想要理解这种单例模式，最主要的是要理解getInstance()方法开头的自旋逻辑，来看T1、T2线程同时调用该方法的执行逻辑：

  • ①T1、T2线程同时调用getInstance()方法，并执行内部逻辑；
  • ②T1、T2线程同时开启死循环，都先从原子引用器中读取单例对象；
  • ③T1、T2都会发现单例对象未初始化，于是各自new个对象并尝试CAS更新；
  • ④假设T1的CAS先成功，那么T1会返回true，然后进入if并返回创建的单例对象；
  • ⑤T2线程CAS失败，得到的结果为false，本次循环结束，继续下次循环；
  • ⑥T2线程再次会回到循环的一开始，这时从原子引用器里拿到的对象不为空，则直接返回。

通过这种CAS+自旋机制，尽管这里没有用到锁，但也依旧能够保证线程安全，所以这是一种完全不依赖于锁机制实现的单例模式。


原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_73205368/article/details/143998151

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