Java多线程基础-8：单例模式及其线程安全问题

单例模式是经典的设计模式之一。什么是设计模式？代码的设计模式类似于棋谱，棋谱就是一些下棋的固定套路，是前人总结出来的一些固定的打法。依照棋谱来下棋，不说能下得非常好，但至少是有迹可循，不会下得很糟糕。代码的设计模式也是一样。

设计模式，就是软件开发中的棋谱。一些编程界的大佬，针对一些常见情景总结出了一些代码的“编写套路”。按照这样的套路来写代码，不说能写得非常好，但也至少不会写得太糟糕。以前有一个大佬写了一本书，名叫《讨论二十三种设计模式》，这本书广为流传，这里的设计模式也就是我们上面说到的。

事实上设计模式远不止“二十三种”。但在校招阶段，主要考察两个设计模式：

1. 单例模式
2. 工厂模式

本文主要介绍单例模式。

目录

一、什么是单例模式？

二、如何实现单例模式？

1、代码实现：饿汉模式

a.饿汉模式的构造思路

b.总结：饿汉模式代码

2、代码实现：懒汉模式

三、线程安全问题

1、懒汉模式--线程不安全，饿汉模式--线程安全

2、初步解决：懒汉模式的线程安全问题

3、代码问题-1：加锁导致程序效率低——解决：更改加锁的位置

4、代码问题-2：new操作引发指令重排序——解决：以volatile修饰

四、***小结：单例模式的线程安全问题

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一、什么是单例模式？

单例指的就是单个实例（instance），也就是单个对象（对象就是类的实例）。单例模式指的是某个类在进程中只有唯一一个实例（在一个程序中，只能创建一个实例（一个对象），不能创建多个对象）。

按理来说，在写代码的时候多 new 几次，就能创建多个对象了。但在语法上，是有办法禁止这样多 new 几次的操作的。 

也就是说，Java中的单例模式，实际上是借助 Java 语法，保证某个类只能够创建出一个实例，而不能被new多次。

为什么会有这样的用途？其实原因是很简单的：在有些场景下，本身它就要求某个概念是单例的。比如每个人只能同时拥有一个配偶。

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二、如何实现单例模式？

Java实现单例模式的方式有很多种，这里我们主要介绍两种写法：

1. 饿汉模式（急迫）
2. 懒汉模式（从容）

如何理解 饿汉模式 和 懒汉模式 呢？饿汉模式就好比每次吃完饭之后，立刻就把碗给洗了（主打的就是一个急迫）；懒汉模式则是每次吃完饭了，先把碗放到一边先不洗，等到吃下一顿了再洗。通常认为，懒汉模式更好，效率更高（非必要不洗碗）。

比如，中午吃饭用了4个碗，那么饿汉模式就得一次性把4个碗都洗了；而晚上吃饭要用2个碗，懒汉模式就只需要洗4个碗当中用不到的2个碗就行了。洗2个碗明显要比洗4个碗效率更高（不考虑没洗的碗会变臭~~只考虑效率）。

在计算机中的例子：打开一个硬盘上的文件，读取文件内容并显示出来。

• 饿汉：把文件所有内容都读到内存中，并显示。
• 懒汉：只把文件读一小部分，把当前屏幕填充上。如果用户翻页了，再读其它文件内容；如果不翻页，就省下了。

在这样的情况下，懒汉模式也是完胜饿汉模式的。

假设要读取的文件非常大，有 10G，按照饿汉模式的方式，文件打开可能都要卡半天，更何况还有内存是否足够的问题。

但懒汉模式下就可以很快速地打开，因为它只读取 1 页的内容，1 页也就几百字，可能也就读取 2k 就够了；如果用户还要读其它页的内容，懒汉再从内存里读取相应的内容，用户浏览不到的页面，也就不将它的内容加载到内存中了。

（虽然懒汉模式会增加硬盘的读取次数，但和饿汉模式的情况相比，是不值一提的。）

下面我们来看看如何用代码实现这两种单例模式。

1、代码实现：饿汉模式

a.饿汉模式的构造思路

我们先初步地创建出 Singleton 类，并在里面把对象创建出来：

// 把一个类设置成单例的
class Singleton {
    // 唯一实例的本体
    private static Singleton instance = new Singleton();    // 把对象创建出来

    // 获取到实例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

注意：这里的 instance 属性要用 static 修饰，static变量保存了单例对象的唯一实例。

同时，将 instance 属性用private封装，并提供一个get方法。这样，我们就可以从外部获取instance了：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 此时 s1 和 s2 是同一个对象
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();

    }
}

显然，此处的 s1 和 s2 获取到的实际是同一个对象。

但是，上述的代码并没有限定再次 new 对象的操作：

此处的 s3 也显然与 s1 和 s2 不是同一个对象。因此，此处必须把 new 操作给禁止掉。采用的方式是 构造方法私有化。

将构造方法用 private 修饰，可以发现，此时我们上面的 new 操作就报错了，无法通过编译。

有些同学可能会想到，用反射仍然可以获取到私有方法。一方面，反射本身就是一种非常规的手段，它本身就是不安全的；另一方面，单例模式有一种实现方式，借助枚举，也可以保证反射下的安全，这个在此不过多介绍。

b.总结：饿汉模式代码

class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    private Singleton(){ }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //此时s1和s2是同一个对象
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
    }
}

将一个类设置成单例的

通过Java语法来限制类实例的多次创建，从而实现单例模式：

1. static是用于类级别的数据共享，保存了单例对象的唯一实例，可以在单例模式中用来单例实例的唯一性。
2. 单例模式中将构造方法私有化，可以避免外部直接创建新的实例。

但饿汉模式的有一个问题，那就是实例的创建时机过早了。只要类一加载，就会创建出这个实例，可要是后面并没有用到这个实例呢？

更好的实现方式是懒汉模式。

2、代码实现：懒汉模式

懒汉模式的核心思想：非必要，不创建。懒汉模式和饿汉模式的代码实现类似，最大的区别是饿汉模式在不使用instance对象时，不把它new出来。

以下代码就是懒汉模式的实现：

class SingletonLazy {
    //先令instance引用为null
    private static SingletonLazy instance = null;

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

    //构造方法私有化
    private SingletonLazy() { }
}

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s1和s2是同一个实例

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三、线程安全问题

1、懒汉模式--线程不安全，饿汉模式--线程安全

在Java多线程编程中，非常重要的一个问题就是线程安全问题。上述提到的两个代码，是线程安全的吗？即，多个线程下调用getInstance()是否会出现问题？

结论是：饿汉模式是线程安全的，而懒汉模式不是线程安全的。 

比对线程不安全的原因：线程安全问题及解决措施 

1. 线程的抢占式执行。
2. 多个线程修改同一变量。
3. 修改操作不是原子的。
4. 内存可见性问题。
5. 指令重排序。

这里，引起懒汉模式线程不安全的最直接原因，是多个线程修改同一变量。

在饿汉模式的getInstance()中，只是单纯地读操作（return），不涉及修改。而懒汉模式的getInstance()中有一个这样的操作：先判定是否为null，再进行修改，再返回。

很明显，这里包含了修改的操作。上面的懒汉模式代码在多线程下，可能无法保证创建对象的唯一性。如下图情况中，t1和t2都会执行到对象创建的代码，从而创建出多份对象。

多创建一个对象，听起来似乎问题不大，其实不然。对象是有大有小的，有些对象管理的内存数据可能会很多，甚至可能多达几百G。如果n个线程一起调用，创建出了n个这样大的对象，后果是非常严重的。 

2、初步解决：懒汉模式的线程安全问题

深入来说，引起上述问题的原因是if判定操作与修改操作不是原子的。可以通过加锁来解决这个问题。

但是，考虑到多线程代码的复杂性，不是在代码中任意写个加锁，就一定线程安全了。如下面代码所示：将synchronized加在了new对象的操作上，且以类对象作为锁对象。这样的加锁方式是不可行的，因为原代码出现线程不安全原因就是因为if判定操作与new操作不是原子的，而只把锁加载new操作上，并不能保证if判定操作和修改操作整体的原子性。

因此，应该把if操作也放到锁里，才能保证判定和new是一个原子操作。

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

当然，也可以直接将锁加在方法上，直接保证整个方法都是原子的。

    //获取instance实例
    synchronized public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }

3、代码问题-1：加锁导致程序效率低——解决：更改加锁的位置

在之前线程安全的篇章中提到过，加锁其实是一种非常低效的方式，因为加锁意味着会出现阻塞等待。事实上，应该“非必要，不加锁”。而我们上述的加锁方式中存在一个问题：不管什么时候调用getInstance()，都会触发锁的竞争。 

然而其实，此处的线程不安全只发生在首次创建对象这里。一旦对象new好了，后续再调用getInstance()，就是单纯的读操作，就没有线程安全问题了，也就没必要再加锁了。

怎么优化呢？我们就需要针对加锁再做一次判定：

什么时候需要加锁？——对象为空的时候。 

因此，要再加一层if判断，用于判断需要加锁的情况：

    //获取instance实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        // 这个条件用于判断是否要加锁
        // 如果对象已经有了，就不必加锁了，此时本身就是线程安全的
        if(instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

 注意这两个if(instance == null)代码的辨析：

并且，虽然这俩代码是挨着的，但是实际上它们执行的时机差别会很大。 

按照我们在单线程代码中的理解，如果两行代码紧挨着，那么执行的时候，这两行代码会被迅速执行完，可以近似地看作它们是同一时机被执行。

但是，在多线程且上述两个if判断间隔着一层synchronized加锁的情况下，就不能简单地这样理解了。

加锁就可能导致线程阻塞，而等到线程阻塞被接触时，可能早已是“沧海桑田”。换句话说，这两行代码虽然看起来是相邻的，但它们执行的时间间隔可能会非常长。虽然两个条件代码完全相同，但若调用的时间间隔长了，判断结果也可能会不同。

比如在一个线程执行时，刚开始instance为null，第一个if判定成立，进入外层if；接下来获取锁时却发现，锁已经被别的线程获取了，那么这个线程此时就只能阻塞等待；等到这个线程结束阻塞、再往下走的时候，instance却已经被别的线程创建好了，不再为null，那么第二个条件判定就不成立了；该线程不会进入第二层if，也就不会重复再new一个对象了。

4、代码问题-2：new操作引发指令重排序——解决：以volatile修饰

在之前线程安全的篇章中提到过，指令重排序也可能导致线程不安全。new操作包括3个步骤：1、创建内存；2、调用构造方法；3、把地址赋值给引用。这其中就可能存在指令重排序：步骤2和步骤3的顺序可以调换。

如果程序按照 1-3-2 的方式执行new操作，就可能出现问题：

若instance为null，当t1线程执行完1和3这两个步骤后，线程突然被调度到t2；t2再去判定条件，但由于在t1中instance已经获取了内存地址，因此instance非null，条件不成立，会直接返回实例的引用。此时，t2拿到的是一个没装修过的毛坯房。

如果接下来t2继续毛坯房的后续方法，可能都是将错就错了。

总而言之，这样的线程调度时机，可能导致t2拿到的实例是不完整的，从而就出现问题了。虽然这个过程是一个极端小概率的情况，但在服务器高并发、大数据的情况下，一旦出问题，后果仍然是非常严重的。

如何解决这个问题？很简单，将instance加上volatile即可。volatile可以禁止指令重排序。

    //加上volatile
    volatile private static SingletonLazy instance = null;

    //获取instance实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        // 这个条件用于判断是否要加锁
        // 如果对象已经有了，就不必加锁了，此时本身就是线程安全的
        if(instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

补充：这里是否涉及到内存可见性问题是存疑的。内存可见性问题的发生是由于编译器优化掉了寄存器从内存中load的这一操作，从而使得每一次读取数据的时并没有真正从内存中读取，而是只从寄存器中读取。在一个线程频繁写，一个线程频繁读的情况下，可能会出现内存可见性的问题。但是，上述代码是否涉及“频繁读”？假设N个线程一起调用，是否就相当于读了N次，这样不就会触发编译器的优化操作？

这其实是不一定的。因为每一个线程，会有自己的一套寄存器，这其中是否会出现内存安全性问题，是很难确定的。

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四、***小结：单例模式的线程安全问题

• 饿汉模式：天然就是安全的，只是读操作。
• 懒汉模式：不安全的有读操作，也有写操作。如何保证懒汉模式的线程安全问题：
  1. 加锁，把 if 和 new 变成原子操作。
  2. 双重 if，减少不必要的加锁操作。
  3. 使用 volatile 禁止指重排序，保证后续线程肯定拿到的是完整对象。