Java实现线程安全的单例模式

单例模式:保证某个类在程序中只存在唯⼀⼀份实例,而不会创建出多个实例,单例模式的类一般是构造器私有,通过一个方法返回唯一实例;

点这里查看线程安全的详细讲解;

常见的单例模式分为饿汉式和懒汉式

一、饿汉式

饿汉式会在类加载的时候创建对象并初始化;

public class Singleton {private static final Singleton instance = new Singleton();private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {return instance;}
}

以上是一个饿汉式实现的单例模式的典型代码;由代码可以看出, 在类加载的时候对象已经创建好了,也就是不管你需不需要使用,都已经存在了,由 getInstance 方法返回这个对象,getInstance 方法直接 return,只涉及到读操作,不涉及写操作,因此饿汉式是线程安全的;

二、懒汉式

懒汉式在类加载的时候并不会直接创建出实例,而是在第一次使用的时候才会创建;

public class Singleton {private static Singleton instance = null;private Singleton() { }public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}

以上代码是懒汉式实现的单例模式的典型代码;其中, 刚开始的时候,instance 对象并没有实例化,在使用 getInstance 方法获取该对象时,会判断该对象是否为空,为空才会初始化(也就是第一次使用的时候为空),之后使用就会直接返回该对象;但是 getInstance 方法既存在读操作,也存在写操作 instance = new Singleton(); ,那么在多线程的情况下,是否会存在线程安全问题呢?答案是肯定的,试想如果两个线程同时执行到 if 判断,此时 instance 为空,两个线程都会进入 if 语句内,这样两个线程就会各自创建两个对象并返回,这就违背了单例模式的初衷;

那么如何解决这个问题呢?

优化一

可以使用 synchronized 加锁,由于两个线程不应该同时判断出 instance == null,故可以对整个 if 块使用 synchronized 进行加锁;于是代码就变为:

public class Singleton {private static Singleton instance = null;private Singleton() { }public static Singleton getInstance() {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}return instance;}
}

这样一来,在多线程的情况下,当一个线程进入到 if 块内,其他线程就会阻塞等待,等待出了synchronized 块之后,instance 实例也就 new 完了,其他线程再进行判断 instance 就不为 null 了,但是这样一来,之后的每次调用 getInstance 方法都会进行加锁,释放锁等操作,这样系统开销就非常大,影响效率,而我们只需要在第一次创建实例的时候加锁,因此即为了保证线程安全,又要保证效率,就得对上述代码进一步优化;

优化二

由于我们只需要在第一次创建实例的时候才加锁,因此可以在 synchronized 外面再包装一层 if 判断,于是代码进一步变为:

public class Singleton {private static Singleton instance = null;private Singleton() { }public static Singleton getInstance() {if(instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

这样一来,既保证了线程安全,又不会非常影响效率,但是上述代码还存在一个问题:指令重排序问题,在 new Singleton() 实例的时候,new 操作可以被拆分为三步:

1)申请内存空间;

2)在内存空间上构造对象;

3)把内存地址赋值给实例引用;

编译器为了执行效率,会优化这三步的顺序,但是 1 肯定是最先执行的,因此 new 操作可能的执行顺序为 1 -> 2 -> 3,1 -> 3 -> 2,当执行顺序为后者的时候,假设有两个线程 t1,t2,在 t1 执行完 1, 3 还来不及执行 2 的时候,此时 t2 线程执行到 if 判断,此时由于 t1 线程执行了步骤 3 ,所以 t2 判断 if 不为 null,就直接返回 instance 对象了,但此时 instance 指向的是一个还没有初始化的非法对象,因此 t2 线程的后续代码访问 instance 里面的属性和方法时就会出错,为了避免这种情况,需要对上述代码再进行优化;

优化三

使用 volatile 关键字,告诉编译器不要优化指令重排序;

public class Singleton {private static volatile Singleton instance = null;private Singleton() { }public static Singleton getInstance() {if(instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

至此,线程安全的懒汉式就实现了;

 

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