常用设计模式 单例模式-懒汉式

懒汉单例

public class LazySingletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
        LazySingleton lazySingleton2 = LazySingleton.getInstance();
        System.out.println(lazySingleton == lazySingleton2);
    }

}

class LazySingleton {

    private static LazySingleton instance;

    private LazySingleton() {

    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}
============================输出结果===========================
true

多线程情形

上面的程序使用单线程时不会有问题，但是使用多线程时会破坏单例。运行以下程序lazySingleton、lazySingleton2 不是同一个实例的情况。

public class LazySingletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
            System.out.println(lazySingleton);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            LazySingleton lazySingleton2 = LazySingleton.getInstance();
            System.out.println(lazySingleton2);
        }).start();
    }
}

class LazySingleton {

    private static LazySingleton instance;

    private LazySingleton() {

    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}
============================输出结果===========================
com.aircity.design.singleton.LazySingleton@2fd04fd1
com.aircity.design.singleton.LazySingleton@67c084e5

优化

为了解决上述的问题，只需要对 getInstance() 方法加锁即可，即：

public static synchronized LazySingleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        instance = new LazySingleton();
    }
    return instance;
}
============================输出结果===========================
com.aircity.design.singleton.LazySingleton@1b9c704e
com.aircity.design.singleton.LazySingleton@1b9c704e

虽然解决了问题，但是 synchronized 的效率低下。因为每次执行 getInstance() 方法时都需要加锁，所以还需要细化锁的粒度，即只在 instance == null 时加锁。

public static LazySingleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (LazySingletonTest.class) {
            instance = new LazySingleton();
        }
    }
    return instance;
}
============================输出结果===========================
com.aircity.design.singleton.LazySingleton@2fd04fd1
com.aircity.design.singleton.LazySingleton@67c084e5

此时仍然会出现两个实例不为同一个的情况，是因为当前线程进入同步代码块时已经判断 instance 为 null，别的线程赋值后，当前线程并没有被通知到，继续优化。

public static LazySingleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (LazySingletonTest.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new LazySingleton();
            }
        }
    }
    return instance;
}
============================输出结果===========================
com.aircity.design.singleton.LazySingleton@ae526cf
com.aircity.design.singleton.LazySingleton@ae526cf

在同步代码块内再加一重判空校验，防止因为别的线程赋值后，不被通知而破坏单例模式。到此为止，代码层面的懒汉单例模式已经完成。

字节码层面

代码层懒汉单例模式已经完毕，此时我们还要额外考虑字节码层会发生什么。instance = new LazySingleton(); 语句在编译期层面正常的执行顺序是：

1. 分配空间： 先给 instance 分配一块内存空间
2. 空间初始化： 给分配到的内存空间进行初始化赋值，如：int 类型的初始值为0
3. 引用赋值： 将 instance 引用指向分配到内存空间地址

但是，在编辑器、CPU可能会发生指令重新排序，导致执行顺序改变：

1. 分配空间
2. 引用赋值
3. 空间初始化

如果是多线程的话，可能线程A按照指令重新排序后执行到第3步时，线程B进入同步代码块发现对象已经引用赋值，就直接返回了 instance，但此时 instance 所指向的空间还没有初始化，就会发生异常。针对此情况，我们要做的就是防止指令重排，即使用 volatile 关键字修饰 instance。最终代码如下：

public class LazySingletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
            System.out.println(lazySingleton);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            LazySingleton lazySingleton2 = LazySingleton.getInstance();
            System.out.println(lazySingleton2);
        }).start();
    }

}

class LazySingleton {

    private volatile static LazySingleton instance;

    private LazySingleton() {

    }

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