java设计模式-单例设计模式（一）
java设计模式-单例设计模式（一）
Time: 12/4/2017 9:17:18 PM
Author: Hongliang Zhu
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单例模式第一版：懒汉模式
public class Singleton {
private Singleton() {} //私有构造函数
private static Singleton instance = null; //单例对象
//静态工厂方法
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
关键要点：
要想让一个类只能构建一个对象，自然不能让它随便去做new操作，因此signleton的构造方法是私有的。
instance是singleton类的静态成员，也是我们的单例对象。它的初始值可以写成null，也可以写成new singleton()。至于其中的区别后来会做解释。
getinstance是获取单例对象的方法。
如果单例初始值是null，还未构建，则构建单例对象并返回。这个写法属于单例模式当中的懒汉模式。
如果单例对象一开始就被new singleton()主动构建，则不再需要判空操作，这种写法属于饿汉模式。
这两个名字很形象：饿汉主动找食物吃，懒汉躺在地上等着人喂。
但是以上的这段代码并非线程安全的，为什么说刚才的代码不是线程安全呢？：
假设Singleton类刚刚被初始化，instance对象还是空，这时候两个线程同时访问getInstance方法：
因为Instance是空，所以两个线程同时通过了条件判断，开始执行new操作：
这样一来，显然instance被构建了两次。让我们对代码做一下修改：
单例模式第二版：线程安全
public class Singleton {
private Singleton() {} //私有构造函数
private static Singleton instance = null; //单例对象
//静态工厂方法
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { //双重检测机制
synchronized (Singleton.class){ //同步锁
if (instance == null) { //双重检测机制
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
为什么这样写呢？我们来解释几个关键点：
- 为了防止new Singleton被执行多次，因此在new操作之前加上Synchronized 同步锁，锁住整个类（注意，这里不能使用对象锁）。
- 进入Synchronized 临界区以后，还要再做一次判空。因为当两个线程同时访问的时候，线程A构建完对象，线程B也已经通过了最初的判空验证，不做第二次判空的话，线程B还是会再次构建instance对象。
像这样两次判空的机制叫做双重检测机制
但是，上面的单例模式第二版并非绝对的线程安全：
假设这样的场景，当两个线程一先一后访问getInstance方法的时候，当A线程正在构建对象，B线程刚刚进入方法：
这种情况表面看似没什么问题，要么Instance还没被线程A构建，线程B执行 if（instance == null）的时候得到false；要么Instance已经被线程A构建完成，线程B执行 if（instance == null）的时候得到true。
真的如此吗？答案是否定的。这里涉及到了JVM编译器的指令重排。
指令重排是什么意思呢？比如java中简单的一句 instance = new Singleton，会被编译器编译成如下JVM指令：
memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址
但是这些指令顺序并非一成不变，有可能会经过JVM和CPU的优化，指令重排成下面的顺序：
memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间
instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
当线程A执行完1,3,时，instance对象还未完成初始化，但已经不再指向null。此时如果线程B抢占到CPU资源，执行 if（instance == null）的结果会是false，从而返回一个没有初始化完成的instance对象。如下图所示：
如何避免这一情况呢？我们需要在instance对象前面增加一个修饰符volatile。
单例模式第三版：修饰符volatile
public class Singleton {
private Singleton() {} //私有构造函数
private volatile static Singleton instance = null; //单例对象
//静态工厂方法
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { //双重检测机制
synchronized (this){ //同步锁
if (instance == null) { //双重检测机制
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
那么问题来了，volatile到底是个什么玩意儿呢？在维基百科中是这样说的：
The volatile keyword indicates that a value may change between different accesses, it prevents an optimizing compiler from optimizing away subsequent reads or writes and thus incorrectly reusing a stale value or omitting writes.
简单点说就是，volatile修饰符阻止了变量访问前后的指令重排，保证了指令的执行顺序。
经过volatile的修饰，当线程A执行instance = new Singleton的时候，JVM执行顺序是什么样？始终保证是下面的顺序：
memory =allocate(); //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址
如此在线程B看来，instance对象的引用要么指向null，要么指向一个初始化完毕的Instance，而不会出现某个中间态，保证了安全。
说了那么多，其实这种方法还是有漏洞的，如果通过【反射】的方式，仍然可以构建多个对象。这个问题我会在单例设计模式（二）中解决，在哪里我会介绍一种更为优雅的单例设计模式实现。
说明：
- volatile关键字不但可以防止指令重排，也可以保证线程访问的变量值是主内存中的最新值。
第一次尝试使用MarkDown语法，还不太适应，得多加练习！
12/4/2017 9:45:34 PM 工大软件园