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Singleton

1、单例模式(Singleton Pattern)：确保某一个类最多只有一个实例，并向整个系统提供这个实例，即该类需提供一个访问唯一实例的全局方法，这个类称为单例类。单例模式的目的是使得某个类最多只有一个实例。

2、为了确保单例类最多只有一个实例，且能够向外部提供唯一实例，单例类应具备以下特点特征：（1）构造方法私有化；（2）能够生成唯一实例；（3）存在能够向外部提供唯一实例的方法；（4）实例和方法需用static关键词修饰。

3、单例模式确保了系统中只能存在唯一实例，则在内存里只有一个实例，这样在频繁的创建和销毁实例时可以减少内存的开销。但由于单例类只向外部提供了访问实例的方法、没有接口，无法被重用和扩展。

单例设计模式主要解决的是类的频繁创建与销毁问题，通过控制类实例的创建来节省系统资源。

运用场景很多，例如网站的在线人数，window系统的任务管理器，网站计数器等等，这些都是单例模式的运用。单例模式有常见的8种形式，如下：

1.Lazy1【不可用】

public class Singleton_Lazy1 { 
   
	private Singleton_Lazy1() { 
   
	};

	private static Singleton_Lazy1 instance = null;

	public static Singleton_Lazy1 getInstance() { 
   
		if (instance == null) { 
   
			instance = new Singleton_Lazy1();
		}
		return instance;
	}
}

• 懒汉式1：

  • 线程不稳定

  • 延迟初始化

  • 多线程不安全

  • 是最基本的实现方式，不支持多线程，因为没有synchronized加锁，多线程不能工作。

  • 实现图

  

  • 多线程则会出现，当Singleton_Lazy1类刚刚被初始化，instance对象还是空，这时候两个线程同时访问到getInstance方法，因为Instance是空，所以A\B两个线程都通过了instance为空的判断，则A\B两个线程都会实例化对象，单例失败。

    不加同步的懒汉式是线程不安全的，如下示例：

2.Lazy2（同步方法）【不建议使用】

public class Singleton_Lazy2 { 
   
	private Singleton_Lazy2() { 
   
	};

	private static Singleton_Lazy2 instance = null;

	public static synchronized Singleton_Lazy2 getInstance() { 
   
		if (instance == null) { 
   
			instance = new Singleton_Lazy2();
		}
		return instance;
	}
}

• 懒汉式2：

  • 线程稳定

  • 延迟初始化

  • 多线程安全

  • 优点：调用才初始化，避免内存浪费。

  • 缺点：必须加锁synchronized才能保证单例，但每次调用都要加锁会影响效率。

  • 实现图
    

  • 利用synchronized关键字对getInstance方法加锁使得多线程安全且稳定但效率不高。

    多线程实现方法，如下图所示：

  

3.DCL1（同步代码块）【不可用】

public class Singleton_DCL1 { 
   
	private Singleton_DCL1() { 
   
	};

	private static Singleton_DCL1 singleton;

	public static Singleton_DCL1 getInstance() { 
   
		if (singleton == null) { 
   
			synchronized (Singleton_DCL1.class) { 
   
                if (singleton == null) { 
   
					singleton = new Singleton_DCL1();
			    }
		    }
		    return singleton;
	    }
    }
}

• 双重检测机制：

  • 延迟初始化

  • 多线程不安全

  • 线程稳定

  • 1.为了防止new Singleton被执行多次，因此在new操作之前加上Synchronized 同步锁，锁住整个类（注意，这里不能使用对象锁）。

  • 2.进入Synchronized 临界区以后，还要再做一次判空。因为当两个线程同时访问的时候，线程A构建完对象，线程B也已经通过了最初的判空验证，不做第二次判空的话，线程B还是会再次构建instance对象。这种同步并不能起到线程同步的作用

  • 但是这样的双重检测机制仍然不是绝对线程安全！这里涉及到JVM编译器的指令重排。

    一般创建一个对象的时候会有三个步骤：

    instance = new Singleton
    Value =allocate();    //1：分配对象的内存空间 
    ctorInstance(Value);  //2：初始化对象 
    instance =Value;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址 
    

    但这三步并不是固定不变的，有可能会经过JVM和CPU的优化，指令将会重排为：

    instance = new Singleton
    Value =allocate();  //1：分配对象的内存空间 
    instance =Value;   //3：设置instance指向刚分配的内存地址 
    ctorInstance(Value); //2：初始化对象 
    

    当线程A执行完1、3时，instance对象还未完成初始化，但是已经不指向null。这个时候如果B线程进入CPU，则会抢先执行if(instance == null)的判断结果为false，这个时候getInstance方法则会返回一个没有初始化完成的instance对象，结果如下图：

    

4.DCLPro【推荐使用】

public class Singleton_DCLPro { 
   
	private Singleton_DCLPro() { 
   
	};

	private volatile static Singleton_DCLPro singleton;

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

• 双检锁/双重校验锁(DCL，即 Double-Checked-Locking):

  • 线程稳定

  • 延迟初始化

  • 多线程安全

  • volatile关键字是防止创建对象时的重排序，在访问volatile变量时不会执行加锁操作。

    volatile关键字不但可以防止指令重排，也可以保证线程访问的变量值是主内存中的最新值。

  • 完美解决3.DCL1的问题。

5.Hunger1（静态常量）【可用】

public class Singleton_Hunger1 { 
   
	private final static Singleton_Hunger1 INSTANCE = new Singleton_Hunger1();

	private Singleton_Hunger1() { 
   
	};

	public static Singleton_Hunger1 getInstance() { 
   
		return INSTANCE;
	}
}

• 饿汉式（静态常量）：

  • 线程稳定

  • 不会延迟加载

  • 多线程安全

  • 优点：采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程，避免了线程同步问题。没有用synchronized进行加锁，提高执行效率。

  • 缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到延迟加载的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

    

6.Hunger2（静态代码块）【可用】

public class Singleton_Hunger2 { 
   
	private static Singleton_Hunger2 instance;
	static { 
   
		instance = new Singleton_Hunger2();
	}

	private Singleton_Hunger2() { 
   
	};

	public Singleton_Hunger2 getInstance() { 
   
		return instance;
	}
}

• 饿汉式（静态代码块）：

  • 线程稳定

  • 不会延迟初始化

  • 多线程安全

  • 优缺点与Hunger1一样。

  • 这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。

    static{ 
           
       instance = new Singleton_Hunger2;
    }
    

7.Pattern（静态内部类）【推荐使用】

public class Singleton_Pattern { 
   
	private Singleton_Pattern() { 
   
	};

	private static class SingletonInstance { 
   
		private static final Singleton_Pattern INSTANCE = new Singleton_Pattern();
	}

	public Singleton_Pattern getInstance() { 
   
		return SingletonInstance.INSTANCE;
	}
}

• 静态内部类：

  • 线程稳定

  • 延迟加载

  • 多线程安全

  • 优点：和5.Hunger1类似，采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
    但静态内部类则可以达到延迟加载的效果，在Singleton_Pattern类被装载的时候并不会马上实例化，而是在需要实例化的时候再调用getInstance方法实例化，这样才会装载静态内部类SingletonInstance，从而达到Singleton_Pattern的实例化。 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，如此在类初始化的时候其他进程是无法进入的，从而保护了线程的安全。

  • 总结为：避免了线程不安全，延迟加载，效率高。

    

8.Enum【不常用】

public enum Singleton_E { 
   
	INSTANCE;
	public void whateverMethod() { 
   
		System.out.println("这是一个枚举单例");
	}
}

不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。代码简洁。使用起来方便。

关键字

synchronized

synchronized的使用

• 修饰实例方法，对当前实例对象加锁
• 修饰静态方法，对当前类的Class对象加锁
• 修饰代码块，对synchronized括号内的对象加锁
• 不可锁空对象

volatile

在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。

volatile关键字是防止创建对象时的重排序，在访问volatile变量时不会执行加锁操作。

volatile关键字不但可以防止指令重排，也可以保证线程访问的变量值是主内存中的最新值。