单例模式之饿汉模式&懒汉模式

前言

单例模式能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，比如 JDBC 中的 DataSource 实例就只需要一个。单例模式具体的实现方式有"饿汉" 和 "懒汉" 两种。

1.饿汉模式（类加载的同时创建实例）

class Singleton {
    // 先创建出示例
    private static Singleton instance = new Singleton();

    // 如果需要使用这个唯一实例, 统一通过 Singleton.getInstance() 方式来获取.
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    // 把构造方法设为 private. 在类外面, 就无法通过 new 的方式来创建这个 Singleton 实例
    private Singleton() {}
}

此时饿汉模式即使在多线程情况下，也是线程安全的，因为只涉及到读操作。

2.懒汉模式

2.1单线程版的懒汉模式

class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;

    public static SingletonLazy getInstance() {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
        return instance;
    }

    private SingletonLazy() {}
}

如果此时这种懒汉模式放在多线程中是不安全的，因为既涉及到了读操作也涉及到了写操作。如果此时多个线程同时都读到了instance == null，那么就会多次进行new操作，这显然就不是单例了。

2.2进行加锁，对单线程版懒汉模式进行改进

class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;

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

    private SingletonLazy() {}
}

这样进行加锁之后，就保证了读操作和修改操作是一个整体了。但是，目前进行加锁改进后的懒汉模式代码仍然还有问题，这样的加锁之后，就意味着每一次的getInstance都需要加锁，因为进行加锁操作是需要花费很大开销的，那么每一次都需要进行加锁，会浪费很大的开销。这里的加锁的本意是只在new出对象之前加，是有必要的，一旦new对象完成，后续加锁也就没有意义了，因为instance的值一定是非空的，直接就走return了。所以，还有改进的空间。

2.3继续改进（满足特定条件才进行加锁，也就是第一次new对象的时候才进行加锁）

class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;

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

    private SingletonLazy() {}
}

第一层if (instance == null)判断是为了判断是否是第一次new对象，是否需要进行加锁；synchronized (SingletonLazy.class)此处就是在满足了特定条件后才进行加锁，即第一次new对象的时候；第二层 if (instance == null)是判断是否要创建对象。加锁操作可能会引起线程阻塞，当执行到锁结束之后，执行到第二个if 的时候第二个if和第一个if之间可能已经隔了很久的时间，程序的运行内部的状态，这些变量的值，都可能已经发生很大改变了，比如第一次都是null，有很多个线程都进入了第一个if，但是此时在synchronized这里阻塞等待，只有一个能进去，当后面的线程再次进去的时候，一定要靠第二个if来判断，因为此时instance很可能已经被第一次进去的线程给改了，所以很可能不为空，所以还需要第二个if来判断。

但是此时，这段代码还有一些问题，那就是内存可见性问题。比如，同时有很多很多的线程都去getInstance，此时只有一个线程是真正进入了第二个if里面读取了内存，其他在外面的很多线程都是读寄存器/cache，那么此时编译器很可能会认为多次读取到的都是null，有可能会被优化处理。

还有就是在这个过程中，会涉及到指令重排序的问题。此处的instance = new SingletonLazy();可以拆分成三个步骤，（1）申请内存空间，（2）调用构造方法，把这个内存空间初始化成一个合理的对象，（3）把内存空间的地址赋值给instance引用。

在正常情况下，是按照123这个顺序来执行的，但是编译器为了提高程序效率，可能会调整代码的执行顺序，比如把123变成132。

假设t1是按照132的步骤来执行的，当t1执行到13步骤结束，2步骤之前的时候，被切出CPU了，换t2来执行。此时，t1执行完步骤3之后，在t2看来，此处的引用就非空了，此时此刻，t2就直接return了instance引用，并且可能会尝试使用引用中的属性。但是由于t1中的步骤2还没有完成，t2拿到的是非法的对象，还没有构造完成的不完整的对象。

2.4使用volatile关键字来解决内存可见性和禁止指令重排序的问题

class SingletonLazy {
    private volatile static SingletonLazy instance = null;

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

    private SingletonLazy() {}
}