单例模式&线程安全问题

单例模式及其线程安全问题

单例模式

定义

在当前进程中，通过单例模式创建的类有且只有一个实例。

单例模式有如下几个特点：

• 在Java应用中，单例模式能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在
• 构造器必须是私有的，外部类无法通过调用构造器方法创建该实例
• 没有公开的set方法，外部类无法调用set方法创建该实例
• 提供一个公开的get方法获取唯一的这个实例

单例模式的好处：

• 某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销
• 省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力
• 系统中某些类，如spring里的controller，控制着处理流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了
• 避免了对资源的重复占用

单例模式的写法（饿汉式、懒汉式）

饿汉式

public class Singleton {
  // 创建一个实例对象
    private static Singleton instance = new Singleton();
    /**
     * 私有构造方法，防止被实例化
     */
    private Singleton(){}
    /**
     * 静态get方法
     */
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

​ 饿汉式单例模式提前把对象new出来，这样别人哪怕是第一次获取这个类对象的时候直接就存在这个类了，省去了创建类这一步的开销。

懒汉式（线程不安全版本）

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

​ 懒汉式单例模式在第一次被调用时初始化实例。

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饿汉式与懒汉式的应用场景区别

​ 在很多电商场景，如果这个数据是经常访问的热点数据，就可以在系统启动的时候使用饿汉模式提前加载（类似缓存的预热），这样哪怕是第一个用户调用都不会存在创建开销，而且调用频繁也不存在内存浪费了。

​ 而懒汉式可以用在不怎么热的地方，比如那个数据你不确定很长一段时间是不是有人会调用，那就用懒汉式。

懒汉式单例模式的线程安全问题分析

线程安全问题

简单的说，就是线程一在创建实例但还未创建完毕的过程中线程二介入，此时线程二判断实例依然为空，故执行创建实例操作。

解决方案

1. 加synchronized线程锁

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

   缺点 严重降低系统运行性能

2. 只在创建实例过程中加锁（双检锁）

   public class Singleton {
       private static Singleton instance = null;
       private Singleton(){}
       public static Singleton getInstance(){
           //先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
           if(instance == null){
               //同步块，线程安全的创建实例
               synchronized (Singleton.class) {
                   //再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例
                   if(instance == null){
                       instance = new Singleton();
                   }
               }
           }
           return instance;
       }
   }
   

   双检锁问题分析：

   • 关键点：instance = new Singleton() 不是原子操作。

   • 详细分析：

     • A、B线程同时进入了第一个if判断

     • A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();

     • 由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

     • B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

     • 此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

   • 解决方案

     • 加上volatile修饰Singleton，保证其可见性

     • 通过volatile修饰的变量，不会被线程本地缓存，所有线程对该对象的读写都会第一时间同步到主内存，从而保证多个线程间该对象的准确性

     • public class Singleton {
           private volatile static Singleton instance = null;
           private Singleton(){}
           public static Singleton getInstance(){
               //先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
               if(instance == null){
                   //同步块，线程安全的创建实例
                   synchronized (Singleton.class) {
                       //再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例
                       if(instance == null){
                           instance = new Singleton();
                       }
                   }
               }
               return instance;
           }
       }
       

     volatile的作用

     • 防止指令重排序，因为instance = new Singleton()不是原子操作
     • 保证内存可见

     使用volatile修饰后的问题：

     • volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化，所以运行效率并不是很高

   • 进一步优化方案：使用静态内部类

      public class Singleton {  
        
          /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
          private Singleton() {  
          }  
        
          /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
          private static class SingletonFactory {  
              private static Singleton instance = new Singleton();  
          }  
        
          /* 获取实例 */  
          public static Singleton getInstance() {  
              return SingletonFactory.instance;  
          }  
        
          /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
          public Object readResolve() {  
              return getInstance();  
          }  
      }
     

     使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。

     这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕， 这样我们就不用担心上面的问题。

     同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式。