淺析Java併發中的單例模式

JavaDoop發表於2019-04-06
Java單例模式

淺析Java併發中的單例模式

一、單例模式簡介

單例模式，是一種常用的軟體設計模式。在它的核心結構中只包含一個被稱為單例的特殊類。通過單例模式可以保證系統中，應用該模式的類一個類只有一個例項。即一個類只有一個物件例項。在java程式碼中，通常new關鍵字創造出來的物件，對系統的開銷一般都挺大的。所以在某些情況下，單例的實現也是應對系統優化的一種解決辦法。

二、單例模式的實現

常見的單例有這幾種實現

  • 餓漢式
  • 飽漢式
  • 雙重校驗
  • 靜態內部類

1、餓漢式

先來介紹餓漢式，餓漢式，顧名思義，就是一進入這個類，該類的例項就被初始化完成了。接下來來看下程式碼。

public class Demo {
	private static Demo h = new Demo();
	private Demo(){
	}
	public static Demo getInstance(){
		return h;
	}
}
複製程式碼

程式碼也和簡單，就是直接構造一個私有的構造器，然後在建立一個成員變數，順便例項化該類，在呼叫該類的getInstance方法，當然前面也說過是一進入這個類，

該類的例項就被建立完成，所以也可以利用類的載入順序來編寫這個程式碼。比如 A類是B類的子類，在初始化A類的例項的時候，會先去父類B中去，看看有沒有靜態塊和靜態成員變數(靜態方法只有被呼叫時才會載入，且只會被載入一次)，若有則先去載入B類的靜態塊和靜態成員變數，再載入A類的。之後會去呼叫B的構造器，最後才會呼叫本類對應的構造器。

所以我們可以在靜態程式碼塊中例項化。如下程式碼

public class Demo {
	private static Demo h = null;
	private Demo(){
	}
	static{
		h = new Demo();
	}
	public static Demo getInstance(){
		return h;
	}
}
複製程式碼

該種實現的單例是執行緒安全的。當然由於它會提前初始化，所以會提前佔用一些系統資源。

2、飽漢式

飽漢式的構造例項的時候與餓汗式相反，它只有在第一次需要的時候才會去構造例項。具體實現程式碼如下 

public class Demo {
	private static Demo h = null;
	private Demo(){
	}
	public static Demo getInstance(){
		if(h == null){
			//1
			h = new Demo();
			//2
		}
		return h;
	}
}
複製程式碼

飽漢式最常見的的編寫方式就是上述程式碼，對於剛瞭解單例模式的人來說，飽漢式就寫完了，不過在單執行緒環境也確實可以說是寫完了，A執行緒在獲取例項，第一次獲取時，看見為null，進行初始化，第二次，不是null，直接返回。這也是一種很理想的流程。但是值得注意的是，在多執行緒下，它就值得推敲了。比如看下面例子

  • 執行緒A：嘿嘿！我已經走到了2，這初始化的好處我就要獨佔了，想想都雞凍，我要去初始化Demo類的例項了，啦啦啦。
  • 執行緒B：哈哈！執行緒A那個SD，我都走到了1，它竟然還沒發現我，還想獨佔Demo的例項化，沒門！！

旁白：執行緒A還完成了對該類例項的初始化，執行緒B也進入了對該例項的構造中，

因此，執行緒A和執行緒B都同時初始化了該例項，這也不滿足單例的條件。

於是有人很自然的想到，加鎖。如下

public class Demo {
	private static Demo h = null;
	private Demo(){
	}
	public synchronized static Demo getInstance(){
		if(h == null){
			h = new Demo();
		}
		return h;
	}
}
複製程式碼

這樣確實可以防止多執行緒環境造成多個例項。但的缺點是每一次獲取都去加鎖，會對效能有一定的損失。所以有了雙重校驗鎖。

3、雙重校驗

雙重校驗，就是在獲取單例的時候，對加鎖的方式進行了改變，它不在方法上加鎖，它對程式碼塊進行加鎖，這樣的效率比飽漢式要高。具體程式碼如下

public class Demo {
	private static Demo h = null;
	private Demo(){
	}
	public static Demo getInstance(){
		if(h == null){
			//1
			synchronized (new Object()) {
				//2
				if(h == null){
					h = new Demo();
				}
			}
		}
		return h;
	}
}
複製程式碼

也許有人看了以上程式碼後會有疑問，要加上兩個if判斷幹嘛？加一個不行嗎，比如如下

public class Demo {
	private static Demo h = null;
	private Demo(){
	}
	public static Demo getInstance(){
		if(h == null){
			//1
			synchronized (new Object()) {
				//2
				h = new Demo();
			}
		}
		return h;
	}
}
複製程式碼

這樣不也對進行例項化的時候加鎖了嗎？也可以保證執行緒安全啊！

看這個例子

  • 執行緒A：嘿嘿！我已經走到了2，咦！竟然還有鎖，更好了，這初始化的好處我就要獨佔了，想想都雞凍，我要去初始化Demo類的例項了，啦啦啦。
  • 執行緒B：哈哈！執行緒A那個SD，我都走到了1，它竟然還沒發現我，還想獨佔Demo的例項化，沒門！！臥槽，靜態被執行緒A那個SD上鎖了，哎等等吧！
  • 執行緒B：咦！鎖的鑰匙又回來了，哎，沒希望了，希望能給我喝點湯。n秒後，B處於驚訝中，沒想到我還能初始化。哈哈哈。

為啥雙重會被認為是執行緒安全的。看這個例子

  • 執行緒A：嘿嘿！我已經走到了2，咦！竟然還有鎖，更好了，這初始化的好處我就要獨佔了，想想都雞凍，我要去初始化Demo類的例項了，啦啦啦。
  • 執行緒B：哈哈！執行緒A那個SD，我都走到了1，它竟然還沒發現我，還想獨佔Demo的例項化，沒門！！臥槽，靜態被執行緒A那個SD上鎖了，哎等等吧！
  • 執行緒B：咦！鎖的鑰匙又回來了，哎，沒希望了，希望能給我喝點湯。n秒後，B處於崩潰中，沒想到竟然還有if(h == null)這個大門，我進不去了，嗚嗚嗚。

值得注意的是，該種產生單例的方式也會有執行緒安全的問題，學過java的都知道，java中在new物件的時候，並不是原子操作，它有以下三個大概步驟

  • 分配記憶體空間
  • 初始化物件
  • 將記憶體地址賦給引用h

由於重排序原因(關於重排序的知識，可自行網上搜尋)，可能在new物件時，第二步和第三步發生了交換，導致錯誤發生，理由是，此時的h是一個地址，但它

還沒完成初始化，如下例子

  • 執行緒A：嘿嘿！我已經走到了2，咦！竟然還有鎖，更好了，這初始化的好處我就要獨佔了，想想都雞凍，我要去初始化Demo類的例項了，啦啦啦。
  • 執行緒B：哈哈！執行緒A那個SD，我都走到了1，它竟然還沒發現我，還想獨佔Demo的例項化，沒門！！臥槽，靜態被執行緒A那個SD上鎖了，哎等等吧！
  • 執行緒B：咦！鎖的鑰匙又回來了，哎，沒希望了，希望能給我喝點湯。n秒後，B處於崩潰中，沒想到竟然還有if(h == null)這個大門。
  • 執行緒B：只能認命了，我只能訪問Demo物件玩玩，噗噗噗，竟然出錯了。。

其原因就如上述所說，發生了重排序導致的錯誤發生，當然，這個錯誤不一定經常發生。所有這時應該想的是怎麼防止重排序。

於是有人就想到了java中的volatile關鍵字來禁止程式碼的重排序，當然它還有保證可見性的功能，但不能和synchronized一樣還能保證原子性。

加了volatile關鍵字後，這樣才算真的執行緒安全，具體程式碼如下

public class Demo {
	private volatile static Demo h = null;
	private Demo(){
	}
	public static Demo getInstance(){
		if(h == null){
			synchronized (new Object()) {
				h = new Demo();
			}
		}
		return h;
	}
}
複製程式碼

4、靜態內部類

靜態內部類就是在該類的內部實現一個靜態內部類，內部類裡來實現該類的例項化，具體程式碼如下

public class Demo {
	private volatile static Demo h = null;
	private Demo(){
	}
	public static Demo getInstance(){
		return InnerDemo.h;
	}
	//內部類
	private static class InnerDemo{
		private final static Demo h = new Demo();
	}
}
複製程式碼

內部類的原理是利用了類載入器classloader機制來保證初始化h時只有一個執行緒，這樣也就保證了執行緒的安全性 。同時也不像餓汗式一樣，一進入該類就觸發例項初始化。內部類雖然是static，但只有在return InnerDemo.h時才會觸發該內部類的載入，也是懶載入的一種。

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