HeaFirst设计模式-单件模式[单例模式](Singleton Pattern)

深入分析单件模式

本次主要介绍的内容有

• 单件模式
• 单线程下的单件模式实现
• 多线程下实现单件模式出现的问题分析
• JMM内存模型
• 多线程下的单件模式实现的三种方式

这些内容，可以从最根本理解单例模式的代码，不信你就来看看吧。

单件模式：

确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

单线程下的单件模式的实现

在单线程下，不存在线程安全的问题，所以完成一个单件模式非常容易。
Singleton

package com.bestqiang.singleton;

/**
 * @author BestQiang
 */
public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;

    // 这里是其他的有用实例化变量
    private Singleton() {}

    // 用getInstance方法实例化对象，并返回这个实例。
    public static Singleton getInstance() {
      if(uniqueInstance == null) {
          uniqueInstance = new Singleton();
      }
        // 不为空就直接返回，保证只有一个实例
        return uniqueInstance;
    }
}

Main线程中调用getInstance方法获取实例

package com.bestqiang.singleton;


/**
 * @author BestQiang
 */
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Singleton instance = Singleton.getInstance();
            System.out.println(instance);
        }
    }
}

打印结果如下，这里可以看出，打印出的地址都是相同的，说明获取的是同一个实例。

com.bestqiang.singleton.Singleton@4554617c
com.bestqiang.singleton.Singleton@4554617c
com.bestqiang.singleton.Singleton@4554617c
com.bestqiang.singleton.Singleton@4554617c
com.bestqiang.singleton.Singleton@4554617c
com.bestqiang.singleton.Singleton@4554617c
com.bestqiang.singleton.Singleton@4554617c
com.bestqiang.singleton.Singleton@4554617c
com.bestqiang.singleton.Singleton@4554617c
com.bestqiang.singleton.Singleton@4554617c

多线程下实现单件模式出现的问题

在这里我用线程池开启了10个线程，分别调用getInstance()方法获取对象，并打印响应的线程名和对象的地址：

package com.bestqiang.multithreading;

import com.bestqiang.singleton.Singleton;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author BestQiang
 */
public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 5L, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(5));
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                threadPoolExecutor.execute(() -> {
                    Singleton ins = Singleton.getInstance();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 对象地址: " + ins);
                });
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            threadPoolExecutor.shutdown();
        }

    }
}

运行结果：

pool-1-thread-8	 对象地址: com.bestqiang.singleton.Singleton@4c680a74
pool-1-thread-7	 对象地址: com.bestqiang.singleton.Singleton@42970371
pool-1-thread-5	 对象地址: com.bestqiang.singleton.Singleton@4c680a74
pool-1-thread-3	 对象地址: com.bestqiang.singleton.Singleton@4c680a74
pool-1-thread-4	 对象地址: com.bestqiang.singleton.Singleton@4c680a74
pool-1-thread-10	 对象地址: com.bestqiang.singleton.Singleton@4c680a74
pool-1-thread-1	 对象地址: com.bestqiang.singleton.Singleton@3f41a236
pool-1-thread-6	 对象地址: com.bestqiang.singleton.Singleton@4c680a74
pool-1-thread-9	 对象地址: com.bestqiang.singleton.Singleton@4c680a74
pool-1-thread-2	 对象地址: com.bestqiang.singleton.Singleton@4c680a74

Process finished with exit code 0

上图中，地址出现了不同的现象，这不是单例模式吗？为什么获取的对象会出现不同？

内存不可见问题：

当判断 if(uniqueInstance == null) 时，不同线程的本地内存都有uniqueInstance 的副本，这个副本可以理解为从主内存获取，然后放到本地内存，如下图JMM内存模型所示，注意这个本地内存是虚拟的，其实并不存在。

当线程更改本地内存中的值的时候，会刷新到主内存。使用的时候，本地内存有副本，那就不必再从主内存加载值了。
比如现在线程A和线程B使用不同的CPU执行，
第一种情况：
现在线程A启动，发现本地内存没有uniqueInstance的副本，然后就从主内存获取，获取后，新建了Singleton对象，赋值给 uniqueInstance,然后刷新给主内存。线程B启动时发现自己本地内存没有uniqueInstance，然后从主内存获取，存在本地缓存中，此时这个变量已经被线程A赋值过了，不为空，就直接返回这个对象，这种情况下，是正常的。

第二种情况，线程A启动，发现本地内存没有uniqueInstance的副本，然后就从主内存获取，获取后，新建了Singleton对象，赋值给 uniqueInstance,然后刷新给主内存。线程B启动的时候，发现本地内存没有uniqueInstance的副本，然后就从主内存获取，存在本地缓存中（此时线程A修改的值还没有刷新给主内存），获取后，新建了Singleton对象，赋值给 uniqueInstance,然后刷新给主内存。这样一来，就出现了单件模式出现不同对象的情况，造成这种情况的是内存不可见问题导致的。

原子性问题：

如果内存不可见问题有人不了解，那么下面这个问题应该很多人都有所了解
当判断 if(uniqueInstance == null) 时，假设现在uniqueInstance 不存在内存可见性的问题，这个操作包含两步，第一步是从主内存获取，第二部是进行比较，那么A线程获取的时候是null，接下来一瞬间此时B线程对uniqueInstance 进行了修改，产生了一个实例，并刷新到了主内存，但是A线程并不知道，紧接着继续比较，这时候为null，A线程会都执行到方法内部，创建对象，出现了两个实例，对于这种问题，可以使用加锁的方式来解决。

多线程下的单件模式实现的三种方式

第一种：加锁解决线程安全问题

从上面导致线程不安全的问题中，我们了解到单件模式中导致线程不安全的有两个重要因素，可见性和原子性，那么如何解决？加锁是一种较好的方式：
代码如下：

package com.bestqiang.multithreading;

import com.bestqiang.singleton.Singleton;

/**
 * @author BestQiang
 */
public class Singleton1 {
    private static Singleton1 uniqueInstance;
    
    // 其他有用的实例化的变量
    private Singleton1() {};
    
    public static synchronized Singleton1 getInstance() {
        if(uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton1();
        }
        return uniqueInstance;
    }
    
    // 其他有用的方法
}

有同学在这里可能会疑惑，为什么加synchronized锁就解决了原子性和可见性的问题？
这里我科普一下：
synchronized块是Java提供的一种原子性内置锁，Java中的每个对象都可以把它单做一个同步锁来使用，这些Java内置的使用者看不到的锁被称为内部锁，也叫监视器锁。内置锁是排它锁，也就是当一个线程获取这个锁后，其他线程必须等待该线程释放锁后才能获取该锁。

synchronized的内存语义（重点）：

进入synchronized块的内存语义是把在synchronized块内使用到的变量从线程的工作内存中清除，这样在synchronized块内使用到该变量时就不会从线程的工作内存中获取，而是直接冲主内存中获取。退出synchronized块的内存语义是把在synchronized块内对共享变量的修改刷新到主内存。

从它的内存语义中可得，它解决了变量的可见性的问题。它是Java提供的一种原子内置锁，解决了原子性的问题，二者都得到解决，所以，用它来实现同步方法，非常合适。

第二种：使用“急切”创建实例，而不用延迟实例化的做法

上面的加同步锁的方法，会大大降低程序的性能，只有第一次执行此方法时，才真正需要同步。换句话说，一旦设置好uniqueInstance变量，就不再需要同步这个方法了。之后每次调用这个方法，同步都是一种累赘。
如何改善呢？有一种方法简单有效，就是使用“急切”创建实例。话不多说，代码亮出来，就能明白了：

package com.bestqiang.multithreading;

import com.bestqiang.singleton.Singleton;

/**
 * @author BestQiang
 */
public class Singleton2 {
    // 在静态初始化器中创建单件。这段代码保证了线程安全。
    private static Singleton2 uniqueInstance = new Singleton2();
    private Singleton2() {};
    public static Singleton2 getInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

其中静态单件在类的生命周期的连接的阶段创建，JVM在类的初始化方法中创建。然后在jdk1.8的环境下存在堆中，类的元信息存在方法区。
对于类的生命周期和JVM，可以从下面两篇文章做一下了解
"init"与"clinit"的区别
深入分析ClassLoader工作机制

因为uniqueInstance 创建过后就没有再改动，所以，不会出现线程安全的问题。

第三种：用“双重检查加锁”，在getInstance(）中减少使用同步

利用双重检查加锁(double-checked locking),首先检查是否实例已经创建 了，如果尚未创建，"才"进行同步。这样一来，只有第一次会同步，这正是我们想要的。

代码如下：

package com.bestqiang.multithreading;

import com.bestqiang.singleton.Singleton;

/**
 * @author BestQiang
 */
public class Singleton3 {
    private volatile static Singleton3 uniqueInstance;

    // 这里是其他的有用实例化变量
    private Singleton3() {}

    // 用getInstance方法实例化对象，并返回这个实例。
    public static Singleton3 getInstance() {
        // 检查视力，如果不存在，就进入同步区块，只有第一次，才彻底的执行这里的代码
        if(uniqueInstance == null) {
            // 进入区块后，再检查一次，如果仍是null，才创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton3();
                }
            }
        }
        // 不为空就直接返回，保证只有一个实例
        return uniqueInstance;
    }
}

上面的代码中，为了解决对象创建时的指令重排序问题，使用了volatile关键字。为了解决原子性的问题，使用了synchronized 加锁。

volatile关键字（重要）

关于Java中的volatile关键字，在这里做一下介绍：
上面介绍了使用锁的方式可以解决共享变量内存可见性的问题，但是使用锁太笨重因为它会带来线程上下文的切换开销。对于解决内存可见性问题，Java还提供了一种弱形式的同步，也就是使用volatile关键字。该关键字可以确保对一个变量的更新对其他线程马上可见。当一个变量被声明为volatile时，线程在写入变量时不会吧值缓存再寄存器或者其他地方，而是会把值刷新回主内存。当其他线程读取该共享变量时，会从主内存重新获取最新值，而不是使用当前线程的工作内存中的值。volatile的内存语义和synchronized有相似之处，具体来说就是，当线程写入了volatile变量值时就等价于线程退出synchronized同步块(把写入工作内存的变量值同步到主内存)，读取volatile变量值时就相当于进入同步块( 先清空本地内存变量值，再从主内存获取最新值)。

第一个方法中提到，synchronized 可解决可见性和原子性的问题，为什么还要用双重锁呢，仔细看看，第一个 if(uniqueInstance == null) 判断存在原子性的问题，因为是先取，后比较，取过来之后可能又会更改，所以在里面嵌套一个 if(uniqueInstance == null)，里面这个是加锁的，加上happens-before规则可以保证原子性和可见性，保证uniqueInstance直接从主存中获取，而且，在第一次创建后，因为里面有原子性内置锁，所以uniqueInstance不会再更改，因此外面的 if(uniqueInstance == null) 其实是安全的了，因为获取后，可以保证不再更改，不会因为原子性而造成线程不安全的问题。这样，就做到了只在第一次同步一次，避免了锁影响性能，而又可以懒加载对象。

上面的操作乍一看是没问题的，但是其实存在问题。

对象创建分为三步：

1. 分配对象的内存空间。memory = allocate();

2. 初始化对象。instance = memory;

3. 设置instance指向内存空间。ctorInstance(memory);

这不是一个原子性操作，但即使不是原子性，这个操作也是没问题的，问题出在这个操作会进行重排序，可能第二部和第三步的顺序会发生变化，这时候第3步如果先执行，那么判断对象的值会依然为空，导致其他对象继续创建，导致单例模式的失败。

为什么要用volatile关键字呢？原因是volatile不仅仅可以保证程序的可见性，而且可以禁止指令重排序。至此，这个问题解决了。

注意： jdk 1.4 及更早的版本中，许多JVM对于volatile关键字的实现会导致双重检查加锁的失效。如果不能使用Java 1.4以上的版本，而必须使用旧版的Java，就请不要利用此技巧实现单件模式。

本次对单例模式的实现做了相对深入的分析，希望读完这篇文章的朋友都能有所收获，共同进步。

参考的书籍：
《并发编程之美》，
《HeadFirst设计模式》