java單例模式

劉福發(fā)布于2019-08-16 10:46 / 2618人閱讀

摘要：?jiǎn)卫且粋€(gè)類，我們希望該類的對(duì)象在任意高并發(fā)多線程的調(diào)用下，只被初始化一次例如用于系統(tǒng)環(huán)境和詞典的加載等，后續(xù)線程均直接調(diào)用即可。我們首先來(lái)講解幾種常見的單例模式和其優(yōu)缺點(diǎn)吧。更多單例模式可以看這里。線程進(jìn)入?yún)^(qū)域，此時(shí)還未啟動(dòng)。

寫此文初衷源于昨晚線上代碼拋出的一個(gè)空指針異常。單例是一個(gè)類，我們希望該類的對(duì)象在任意高并發(fā)多線程的調(diào)用下，只被初始化一次（例如用于系統(tǒng)環(huán)境和詞典的加載等），后續(xù)線程均直接調(diào)用即可。我們首先來(lái)講解幾種常見的單例模式和其優(yōu)缺點(diǎn)吧。

1.懶漢式

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

以上代碼很明顯不能滿足我們的要求。設(shè)想有n個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行語(yǔ)句(1)，此時(shí)實(shí)例還未被初始化，因此均判斷為null,于是這n個(gè)線程每一個(gè)都新建了該類對(duì)象。

2.懶漢式改進(jìn)

// 懶漢式，線程安全，但不高效，因?yàn)槿魏螘r(shí)候只能有一個(gè)線程調(diào)用getInstance()方法。
class SingletonDemo2 {
    
    private static SingletonDemo2 instance;
    
    private SingletonDemo2() {}
    
    public static synchronized SingletonDemo2 getInstance() { //語(yǔ)句(1)
        if (instance == null) { //區(qū)域(1)
            instance = new SingletonDemo2();
        }
        return instance;
    }
}

我們使用synchronized來(lái)強(qiáng)制使每個(gè)線程串行執(zhí)行語(yǔ)句(1)，因此永遠(yuǎn)只有第一個(gè)線程新建了該類對(duì)象。那么這段代碼缺點(diǎn)在哪呢？速度慢。假設(shè)現(xiàn)在有1000個(gè)線程，均在語(yǔ)句(1)處排隊(duì)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程創(chuàng)建新對(duì)象后，剩下999個(gè)線程仍然需要排隊(duì)，進(jìn)入?yún)^(qū)域(1)判斷不為空并返回。

這里懶漢式的意思是：要用的時(shí)候才去new。區(qū)別于接下來(lái)要講的：

3.餓漢式

/**
 * 餓漢式,單例的實(shí)例被聲明成static和final，在第一次加載到內(nèi)存中時(shí)會(huì)初始化。
 * 
 * 缺點(diǎn)：
 * 不是一種懶加載(lazy initlalization),在一些場(chǎng)景中無(wú)法使用：
 * 譬如Singleton實(shí)例的創(chuàng)建時(shí)以來(lái)參數(shù)或者配置文件的，在getInstance()之前必須調(diào)用
 */
class SingletonDemo5 {
    // 類加載時(shí)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(duì)private static final只初始化一次的特性，可以解決多線程問(wèn)題，但是當(dāng)我們要在getInstance()前做一些配置工作(例如初始化數(shù)據(jù)庫(kù)連接等)，那么這種方式就捉襟見肘了。

4.雙重檢驗(yàn)鎖

// 雙重檢驗(yàn)鎖(double checked) 
class SingletonDemo3 {
    
    private static volatile SingletonDemo3 instance;
    
    private SingletonDemo3() {}
    
    public static SingletonDemo3 getInstance() {
        if (instance == null) {    // 區(qū)域(1)
            synchronized (SingletonDemo3.class) {  // 區(qū)域(2)
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDemo3(); // 語(yǔ)句(1)
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

雙重檢驗(yàn)鎖(double checked)。注意到它有2次判斷，一次在同步塊內(nèi)，一次在同步塊外。假設(shè)現(xiàn)在有4個(gè)線程T1,T2,T3,T4。T1,T2進(jìn)入了區(qū)域(1)，T3,T4還沒(méi)啟動(dòng)。T1能進(jìn)入?yún)^(qū)域(2)創(chuàng)建instance成功，之后T2進(jìn)入?yún)^(qū)域(2)，判斷非空并出來(lái)。此時(shí)T3,T4啟動(dòng)了，不會(huì)進(jìn)入?yún)^(qū)域(1)，且無(wú)需等待鎖。

instance變量聲明成volatile, 它可以禁止指令重排序優(yōu)化。
volatile的兩個(gè)作用：

禁止指令重排優(yōu)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(wú)法使用val += 1這種語(yǔ)句使其原子增加。）因此可用于1讀者n寫者的場(chǎng)景，例如點(diǎn)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(wèn)題回放

昨晚報(bào)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(qū)域(1)
            synchronized (WrongSample.class) {  // 區(qū)域(2)
                if (instance == null) {
                    instance = new WrongSample(); // 語(yǔ)句(1)
                    instance.init(); //語(yǔ)句(2)
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private void init() {
    
    }
}

該代碼使用雙重檢驗(yàn)鎖構(gòu)建了一個(gè)單例，且對(duì)單例進(jìn)行初始化。那么空指針異常拋出對(duì)原因在哪呢？設(shè)想現(xiàn)在有線程T1,T2。線程T1進(jìn)入?yún)^(qū)域(2)，T2此時(shí)還未啟動(dòng)。T1執(zhí)行了語(yǔ)句(1)，但并未執(zhí)行語(yǔ)句2，此時(shí)instance已經(jīng)不是null，所以T2啟動(dòng)時(shí)在區(qū)域(1)判斷非null將直接返回instance，但T2并未被初始化，由是產(chǎn)生異常。

解決方案：初始化操作放進(jìn)構(gòu)造函數(shù)，執(zhí)行語(yǔ)句(1)時(shí)里暗含里執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)。代碼如下：

class WrongSample {
    
    private volatile static WrongSample instance;
    
    private WrongSample() {
        init();
    }
    
    public static WrongSample getInstance() {
        if (instance == null) {    // 區(qū)域(1)
            synchronized (WrongSample.class) {  // 區(qū)域(2)
                if (instance == null) {
                    instance = new WrongSample(); // 語(yǔ)句(1)
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private void init() {
    
    }
}