单例模式-Singleton(饿汉式,懒汉式,双重校验锁,静态内部类)

本文详细介绍了Java中的Singleton(单例)模式实现方式,包括懒汉式、饿汉式和双重校验锁模式,讨论了线程安全与延迟初始化的问题。并对比了不同实现的优缺点,如线程不安全性、资源利用率和性能影响。最后,提到了静态内部类实现单例的高效与线程安全策略。

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确保一个类只有一个实例,并提供该实例的全局访问点。

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例,只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

懒汉式-线程不安全

若私有静态变量延迟实例化,那当没有用的该类时就不会实例化它从而节约资源;

public class Singleton{
    private static Singleton uniquInstance;
    
    private Singleton(){
    }
    public static Singleton getUniquInstance(){
 //线程不安全,当多个线程能同时进入if语句并且此时判定为true,可能导致多次实例化uniqueInstance
        if(uniqueInstance ==null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

饿汉式-线程安全

采取直接实例化的方式就可以避免产生的线程不安全问题;但同时也丢失了延迟实例化的好处;

private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

懒汉式-线程安全

getUniquInstance()方法加锁,那么在一个时间点里只有一个线程能进入该方法,从而避免了线程不安全问题。但是当一个线程进入该方法以后,其它企图进入该方法的线程都必须等待,这会让线程阻塞时间过长。(不推荐使用)

public static synchronized Singleton getUniqueInstance(){
    if(uniqueInstance ==null){
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
    return uniqueInstance;
}

双重校验锁-线程安全

uniqueInstance只需要被实例化一次,之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行,只有当 uniqueInstance没有被实例化时,才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化,如果没有被实例化,那么才对实例化语句进行加锁。

public class Singleton{
    //volatile 禁止指令重排
    private volatile static Singleton uniqueInstance;
    
    private Singleton(){
    }
    /**
 第一个 if 语句用来避免 uniqueInstance 已经被实例化之后的加锁操作,而第二个 if 语句进行了加锁,所以只能有一个线程进入,就不会出现 uniqueInstance == null 时两个线程同时进行实例化操作。
    */
    public static Singleton getUniqueInstance(){
        if(uniqueInstance==null){
            synchronized(Singleton.class){
                if(uniqueInstance==null){
                    uniqueInstance=new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

uniqueInstance采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的, 使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排,保证在多线程环境下也能正常运行。

uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行:

  1. uniqueInstance分配内存空间

  2. 初始化uniqueInstance

  3. uniqueInstance指向分配的内存空间

由于 JVM 具有指令重排的特性,执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题,但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。 重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行排序的一种手段。

重排序规则:

  1. 重排序操作不会对存在数据依赖关系的操作进行重排序。

  2. 重排序是为了优化性能,但是不管怎么重排序,单线程下程序的执行结果不能被改变

静态内部类实现

当Singleton类被加载时,静态内部类SingletonHolder没有被存入内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCESingletonHolder才会被加载, 此时初始化 INSTANCE 实例,并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。

这种方法不仅有延迟初始化的好处,而且由JVM提供了对线程安全的支持

public class Singleton{
    private Singleton(){
        }
    private static class SingletonHolder{
        private static final Singleton INSTANCE =new Singleton();
    }
    private static Singleton getUniqueInstance(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

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