[Java]关于单例模式的理解与简述

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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:

  1. 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。
  2. 构造方法声明为private,使无法主动实例化(new).。
  3. `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。

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