Java多线程（七）：单例模式详解

目录

1. 什么是单例模式

2. 单例模式的特点

3. 单例模式的实现

3.1 单例模式实现步骤

3.2 单例模式实现方式

3.2.1 饿汉方式

3.2.2 懒汉方式

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1. 什么是单例模式

        java中单例模式是一种常见的设计模式，单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。简而言之，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。

2. 单例模式的特点

1. 单例类只能有一个实例。
2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

3. 单例模式的实现

3.1 单例模式实现步骤

1. 设置私有的构造函数；
2. 声明⼀个私有的对象属性；
3. 提供⼀个公共的获取实例的方法。

3.2 单例模式实现方式

单例模式具体的实现方式, 分成 "饿汉" 和 "懒汉" 两种：

• 饿汉方式（线程安全）
• 懒汉方式（使用时才加载，可以避免资源不必要的浪费）

3.2.1 饿汉方式

实现代码：

public class DataSourceSingleton {
    // 1.提供私有的构造方法（防止外部直接new对象）
    private DataSourceSingleton() {}

    // 2.创建一个私有的属性对象
    private static DataSourceSingleton dataSource = new DataSourceSingleton();

    // 3.提供公共对外的单例对象
    public static DataSourceSingleton getInstance() {
        return dataSource;
    }
}

3.2.2 懒汉方式

（1）单线程版本（非线程安全的）：

public class DataSourceSingleton2 {
    // 1.提供私有的构造方法（防止外部直接new对象）
    private DataSourceSingleton2() {}

    // 2.创建一个私有的属性对象
    private static DataSourceSingleton2 dataSource = null;

    // 3.提供公共对外的单例对象
    public static DataSourceSingleton2 getInstance() {
        if (dataSource == null) {
            // 第一次访问
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            dataSource = new DataSourceSingleton2();
        }
        return dataSource;
    }
}

测试：

public class DataSourceTest {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println(DataSourceSingleton2.getInstance());
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            System.out.println(DataSourceSingleton2.getInstance());
        });

        Thread t3 = new Thread(() -> {
            System.out.println(DataSourceSingleton2.getInstance());
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

 测试结果：

         可以看到产生了三个实例，而非一个，线程不安全。这种方式只能在单线程下使用。如果在多线程下，一个线程进入了if (dataSource == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

（2）线程安全改进版一

public class DataSourceSingleton2 {
    // 1.提供私有的构造方法（防止外部直接new对象）
    private DataSourceSingleton2() {}

    // 2.创建一个私有的属性对象
    private static DataSourceSingleton2 dataSource = null;

    // 3.提供公共对外的单例对象
    public synchronized static DataSourceSingleton2 getInstance() {
        if (dataSource == null) {
            // 第一次访问
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            dataSource = new DataSourceSingleton2();
        }
        return dataSource;
    }
}

测试结果：

        可以看到只创建了一个实例。但是这种方式虽然线程安全，但是直接给全局加锁，效率太低了。不推荐使用。

 (3）线程安全改进版二

public class DataSourceSingleton3 {
    // 1.提供私有的构造方法（防止外部直接new对象）
    private DataSourceSingleton3() {
    }

    // 2.创建一个私有的属性对象
    private static volatile DataSourceSingleton3 dataSource = null;

    // 3.提供公共对外的单例对象
    public static DataSourceSingleton3 getInstance() {
        if (dataSource == null) {
            synchronized (DataSourceSingleton3.class) {
                dataSource = new DataSourceSingleton3();
            }
        }
        return dataSource;
    }
}

测试结果：

        可以看到这种方式也存在线程安全问题，假如一个线程进入了if (dataSource == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。不可用。

（4）线程安全改进版三

public class DataSourceSingleton4 {
    // 1.提供私有的构造方法（防止外部直接new对象）
    private DataSourceSingleton4() {}

    // 2.创建一个私有的属性对象
    private static DataSourceSingleton4 dataSource = null;

    // 3.提供公共对外的单例对象
    public static DataSourceSingleton4 getInstance() {
        if (dataSource == null) {
            synchronized (DataSourceSingleton3.class) {
                if (dataSource == null) {
                    dataSource = new DataSourceSingleton4();
                }
            }
        }
        return dataSource;
    }
}

这种方式依然存在线程安全问题，对象创建需要三步：

1. memory = allocate() //分配内存
2. ctorInstanc(memory) //初始化对象
3. instance = memory //设置instance指向刚分配的地址

假如因为指令重排导致执行的顺序变为了132，那么假如a线程中执行完13之后,b线程到达代码2处.执行判断语句.发现instance指向的是⼀段地址因此直接不进入判断语句而是直接返回了⼀个没有初始化的空的对象。也不可用。

（5）线程安全改进最终版

public class DataSourceSingleton5 {
    // 1.提供私有的构造方法（防止外部直接new对象）
    private DataSourceSingleton5() {}

    // 2.创建一个私有的属性对象
    private static volatile DataSourceSingleton5 dataSource = null;

    // 3.提供公共对外的单例对象
    public static DataSourceSingleton5 getInstance() {
        if (dataSource == null) {
            synchronized (DataSourceSingleton5.class) {
                if (dataSource == null) {
                    dataSource = new DataSourceSingleton5();
                }
            }
        }
        return dataSource;
    }
}

双重检查，并且给对象加上了volatile，再进行了两次if (dataSource == null)检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (dataSource == null)，直接return实例化对象。推荐使用。