[Java]关于单例模式的理解与简述

2024-01-09 16:19 由进步·于辰发表于 #后端开发

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参考笔记一，P28.3、P29.9、P71.1。

1、什么是单例模式？

“单例模式”指关闭对外实例化方法，需通过调用类方法获取实例，且多次调用都始终保持同一个实例的一种设计模式。

注意：当一个线程改变此唯一实例的成员变量时，由于其他线程不可见，就会导致并发性问题。因此，往往不声明成员变量，仅定义了成员方法时使用单例模式。

2、如何实现单例模式？

看下述代码。（注：此示例未实现单例模式，仅用于说明实现单例模式的思想）

class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton newInstance() {
        return new Singleton();
    }
}

获取实例的方法不是通过new或者反射，而是通过调用newInstance()实现。说明：

instance定义为静态私有，(1)、为了newInstance()可访问；(2)、防止类外直接获取。 扩展分析：“懒汉式”是在调用newInstance()时才创建实例，故不必多言。判断“饿汉式”的情况：若instance为类变量，其在类初始化时创建，自然可保证唯一实例；若instance为成员变量，其在实例初始化时创建，但由于构造方法禁止实例化，故也是在调用newInstance()时创建，也可保证唯一实例。因此，instance定义为类变量与单例模式没有直接关系。
构造方法声明为private，使无法主动实例化（new）.。
`newInstance()是静态公共方法，使用static修饰是因为 Singleton 类无法实例化，故无法通过对象调用newInstance()；使用public修饰是为了方便类外调用。

3、单例模式的两种形式

3.1 形式一：“饿汉式”

基础格式：

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

    public static Singleton newInstance() {
        return instance;
    }
}

唯一实例在类内直接创建，不存在多实例可能，不违背“单例”，故不存在线程安全问题，但可能导致内存浪费。

3.2 形式二：“懒汉式”

基础格式：

class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}

    public static Singleton newInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

当newInstance()被调用时，才创建实例。

存在的线程安全问题：
从表面上看，基础“懒汉式”没有什么问题。可实际上，由于此方法本身线程不安全，当多个线程同时调用时，就存在创建多个实例的可能，违背“单例”，故存在线程安全问题。

举个栗子。

public static Singleton newInstance(){
    if (instance == null) {---------------A
        instance = new Singleton();-------B
    }
    return instance;
}

假设有两个线程 x、y 同时调用newInstance()。 x 先执行 A，判断instance 是否为 null，为 true，但还未执行 B。可此时，x 的CPU时间片用完，CPU被 y 抢去。y 也执行 A，判断instance是否为 null，为 true，执行 B，创建一个实例。然后，x 重新获得时间片，继续执行，由于 x 已经判断过instance，故直接执行 B，再创建一个实例。至此，线程 x、y 都创建了一个实例，这就违背了“单例“。

在高并发下，这种情况很容易发生，而且这只是其中一种情况。

4、解决“懒汉式”线程安全问题的三种方法

4.1 方法一：“锁方法”

public static synchronized Singleton newInstance() {
    if (instance == null) {
        instance = new Singleton();
    }
    return instance;
}

用synchronized同步锁将方法锁住，这样一次就只能有一个线程进入方法。

4.2 方法二：“锁代码块”

public static Singleton newInstance() {
    synchronized (Singleton.class) {
        if (instance == null) {-------------A
            instance = new Singleton();-----B
        }
    }
    return instance;
}

因为可能存在线程安全问题的代码是 A，故用同步锁将其锁住，原理与“锁方法”相同。

4.3 方法三：“双重检测机制”

public static Singleton newInstance() {
    if (instance == null) {--------------------A
        synchronized (Singleton.class) {-------B
            if (instance == null) {------------C
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance;---------------------------D
}

“懒汉式”存在线程安全问题，根本原因就是未对实例存在进行二次判断，这种在两次判断之间介入同步锁进行限制的方法叫做（也称为“双重检测机制”或“双重检查锁”）。

过程推演：
假设有两个线程 x、y 同时调用newInstance()。 x 先执行 A，判断instance是否为 null，为 true，但还未进入 B。可此时，x 的CPU时间片用完，CPU被 y 抢去。y 也执行 A，判断instance是否为 null，为 true，进入 B，判断instance为 null 后直接创建一个实例。然后，x 重新获得时间片，待 y 释放同步锁后进入 B，判断instance是否为 null，由于 y 已经创建实例，故instance存在，因此，x 释放同步锁执行 D 返回instance，实例唯一。注意：必须用同步锁将 C 锁住，不然与基础“懒汉式”别无二致，无意义。

上面的过程推演只是其中一种情况，作为大家理解双重检测机制的一个推演模板。

5、最后

本文中的所有例子，是为了阐述“单例模式”思想和如何解决“单例模式”存在的线程安全问题，以及方便大家理解而简单举出的，不一定有实用性。

本文完结。