多线程代码设计模式之单例模式

设计模式引入

饿汉模式

懒汉模式

单例模式总结

设计模式引入

1.1.什么是设计模式

（1）设计模式就是一种代码的套用模板。例如：一类题型的步骤分别有哪些，是可以直接套用的。

（2）像棋谱，也是一种设计模式。根据棋谱去下棋，棋术自然不会很差。

（3）官方定义就是说：设计模式就是一套经过反复使用、多人知晓、经过分类、代码设计经验的总结

（4）使用代码设计模式可以提高代码的下限。更容易被人理解，使用等等

本文我们主要介绍设计模式中的单例设计模式

1.2.单例设计模式

（1）单例模式，就是只有单个对象。

（2）单例模式，在整个代码进程中的某个类，有且只会产生一个对象，也不会多new出来前提的对象（这个类就是单例模式，它只会产生一个对象）

（3）如何保证只会有一个对象呢？那就需要程序员通过代码去设计，用代码去限制和规范。

（4）根本上可以保证对象是唯一的，这种设计模式就称为单例模式

（5）单例模式，本节内容介绍两种最常用的：饿汉模式和懒汉模式

饿汉模式

1.1.概念引入

（1）什么是饿汉模式？听名字就是一个很饿的汉子

（2）饿汉模式，就是在类加载的时候，就完成了对象的实例化

（3）我们把迫不及待的实例化对象这种行为，称为饿汉模式

1.2.代码设计

（1）类体

这个名字是可以随便起的

class Singleton {}

（2）实例化对象

这里直接实例化一个饿汉对象，赋值给instance引用。这个引用是private static类型的，外部访问不到，而且在类加载的时候，就把对象给初始化好了。

class Singleton {private static Singleton instance = new Singleton();//一加载就实例化对象，称为饿汉
}

（3）提供获取对象的方法

class Singleton {private static Singleton instance = new Singleton();//一加载就实例化对象，称为饿汉//用于外部获取饿汉对象public static Singleton getInstance() {return instance;}private Singleton() {//私有构造方法，外部无法再进实例化}
}

外部通过调用这个方法，就可以拿到对象的一个引用；多次调用改方法，获得的对象都是同一份。

（4）私有构造方法

这是最关键的一步，将构造方法设置为私有的，外部就无法在new对象了。下面这也是“饿汉模式”的完整代码了

class Singleton {private static Singleton instance = new Singleton();//一加载就实例化对象，称为饿汉//用于外部获取饿汉对象public static Singleton getInstance() {return instance;}private Singleton() {//私有构造方法，外部无法再进实例化}
}

（5）验证是否同一个对象

 public static void main(String[] args) {Singleton s1 = Singleton.getInstance();Singleton s2 = Singleton.getInstance();System.out.println(s1 == s2);}

我们发现，这两个对象都是一样的。

（6）验证外部不可new

以上就饿汉模式代码设计的全部了，还有一些小问题，下面接着介绍。

1.3.线程安全等问题

（1）线程安全问题

在多线程代码中，对于饿汉设计模式的代码，是线程安全的。

原因：饿汉模式在加载类的时候，对象就已经实例化好了，比线程通过get方法去获得改对象的引用更快；后续线程获取对象的时候，都是获取到的同一个变量。

（2）保证唯一对象问题

初心：类似饿汉模式的代码设计，都是提供给外部使用的，外部是无法new对象的；即使内部可以，但是设计者不会那么蠢。

外部new对象怎么办：外部是可以通过反射的方式再new一次对象，但是这种方式我们不考虑，反射本身的开销和成本也很大。就像有人下定决心要偷你家东西，你也无法防住。

懒汉模式

1.1.概念引入

（1）听名字，看似懒，其实是高效率

（2）懒汉模式：类很懒，当程序员需要对象而去调用时，它才会实例化对象

（3）我们把这种不着急实例化对象的，称为“懒汉模式”

1.2.代码设计

（1）类体

老样子，名字随意

class SingletonLazy {}

（2）对象的引用

因为很懒，所以一开始是不实例化对象的

class SingletonLazy {private static SingletonLazy instance = null;//一开始不初始化对象}

（3）对外开放对象

只有在第一次调用改方法时，才会去实例化一个对象

class SingletonLazy {private static SingletonLazy instance = null;//一开始不初始化对象public static SingletonLazy getInstance() {//什么时候调用，才会初始化对象if(instance == null) {instance = new SingletonLazy();}return instance;}}

（4）关闭构造方法

只有这样，外部才没有办法去new对象

class SingletonLazy {private static SingletonLazy instance = null;//一开始不初始化对象public static SingletonLazy getInstance() {//什么时候调用，才会初始化对象if(instance == null) {instance = new SingletonLazy();}return instance;}private SingletonLazy() {}
}

上面就是一个和饿汉模式类似的代码结构了

（5）同一个对象

 public static void main(String[] args) {SingletonLazy s1  = SingletonLazy.getInstance();SingletonLazy s2  = SingletonLazy.getInstance();System.out.println(s1 == s2);}

（6）外部不可new

这里打断一下，上面的代码并不完整，因为上面的代码是一个线程不安全的代码。

线程安全的完整代码：接下来介绍

class SingletonLazy {private static volatile SingletonLazy instance = null;//一开始不初始化对象private static Object locker = new Object();public static SingletonLazy getInstance() {//什么时候调用，才会初始化对象if(instance == null) {synchronized (locker) {if(instance == null) {instance = new SingletonLazy();}}}return instance;}private SingletonLazy() {}
}

1.3.线程安全问题

（1）为什么不安全？

在类加载完之后，并没有实例化出对象；此时两个线程去调用getInstance()方法，就很大可能会创造出两个对象，这就违背了一个对象原则了。

（2）为什么会有线程不安全问题？

我们从指令的执行和线程调度方面切入分析。下面都是按照发生线程安全问题的情况下

1）有两个线程t1、t2，先后调用了改方法，并且下面的条件都成立，并且进入

if(instance == null)

像这样先后进入if语句之后，他们就会创造出两个实例，这就是线程不安全的问题。

上面产生的问题就是由于操作不是原子性造成的，我们只需要进行加锁操作就好。

1.4.设计线程安全代码

（1）加锁之后

private static Object locker = new Object();
public static SingletonLazy getInstance() {//什么时候调用，才会初始化对象synchronized (locker) {if(instance == null) {instance = new SingletonLazy();  }}return instance;
}

加锁之后，同一个时间就只会有一个线程进入if语句并且实例化对象，当该线程解锁之后，对象已经创造好了；此时第二个线程不再阻塞，并进入if语句，但是此时条件已经不成立便不会进入。此时，就不会由于多线程代码而产生问题了。

（2）判断是否要加锁

上面的代码产生线程安全问题的主要原因是：由于对象没有实例化好，但是，当对象实例化好之后再去调用该方法，是不会产生任何线程问题的。此时，锁就现得很笨重，因此，我们只需要让第一次调用时加锁就好，于是得出下面的改进代码

private static Object locker = new Object();
public static SingletonLazy getInstance() {//什么时候调用，才会初始化对象if(instance == null) {synchronized (locker) {if(instance == null) {instance = new SingletonLazy();}}}return instance;
}

这就是双重if判断，但是两个if语句发挥的作用不一样。

第一个if:判断是否要加锁

第二个if:判断是否要创建对象

（3）预防指令重排序

上述代码就是最终的安全代码了吗？不，还不是，还会存在一个问题，那就是指令重排序造成的线程安全问题。

instance = new SingletonLazy();

new对象这个代码大概可以分成三步

1.申请内存空间

2.调用构造方法（对内存空间进行初始化）

3.把此时内存空间的地址，赋值给instance引用

指令执行的顺序大概有两种：123或者132。在单线程中，两种顺序都不会出现问题，但是在多线程中，132的顺序是会出现问题的。

问题：当执行的顺序是132时，t1线程执行完3之后，也就是赋值给了instance引用，此时不为空，然后被调度走，t2线程就可以返回这个引用，此时这个对象内部是没有初始化的，里面的值都是0，t2线程拿着这个引用去做一些事情，就会引起一些问题。

所以，我们要加上volatile关键字。

private static volatile SingletonLazy instance = null;//一开始不初始化对象

可见，volatile关键字表面上是预防内存可见性问题，更深的是预防指令重排序问题。给变量加上，可以预防对该变量发生一下指令重排序，可以保证intance引用存放的是完整对象。

线程安全的懒汉模式代码：

class SingletonLazy {private static volatile SingletonLazy instance = null;//一开始不初始化对象private static Object locker = new Object();public static SingletonLazy getInstance() {//什么时候调用，才会初始化对象if(instance == null) {synchronized (locker) {if(instance == null) {instance = new SingletonLazy();}}}return instance;}private SingletonLazy() {}
}