【设计模式】单例模式|饿汉模式|懒汉模式|指令重排序

目录

1.什么是单例模式？

2.如何保证单例？

3.两种写法

（1）饿汉模式（早创建）

 （2）懒汉模式（缓执行，可能不执行）

4.应用场景

🔥5.多线程中的单例模式

（1）加锁

（2）双重if

（3）volatie

6.指令重排序（小概率出现问题）

（1）什么是指令重排序？

 （2）以Instance = new SingletonLazy( );为例分析

（3）解决上述指令重排序问题

7.延伸：了解

🔥8.常见考察

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1.什么是单例模式？

单例模式是最常见的设计模式之⼀

Q：啥是设计模式?

A：编程中典型场景的解决方案，设计模式好⽐象棋中的"棋谱".红⽅当头炮,⿊⽅⻢来跳.针对红⽅的⼀些⾛法,⿊⽅应招的时候有⼀些固定的套路.按照套路来⾛局势就不会吃亏

单例模式即某个类在进程中又能有唯一实例

• 有且只有一个对象，不会new出来多个对象，这样的对象就是“单例”

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2.如何保证单例？

（1）保证单例：instance只有唯一一个，初始化也只是执行一次的

• 保证单例：instance只有唯一一个，初始化也只是执行一次的
  static修饰的，其实是“类属性”，就是在“类对象”上的，每个类的类对象在JVM中只有一个，里面的静态成员，只有一份
• 后续需要使用这个类的实例，就可以直接通过getInstance来获取已经new好的这个，而不是重新new

（2） 核心操作：private：禁止外部代码来创建该类的实例

• 怎么操作？类之外的代码，尝试new的时候，势必就要调用构造方法，由于构造方法私有，无法调动，就会编译出错

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3.两种写法

（1）饿汉模式（早创建）

唯一实例创建时机非常早，类似于饿了很久的人，​看到了吃的就赶紧开始吃（急迫）

package thread;//单例,饿汉模式
//唯一实例创建时机非常早，类似于饿了很久的人，看到了吃的就赶紧开始吃（急迫）
class Singleton {private static Singleton instance = new Singleton();public static Singleton getInstance() {return instance;}private Singleton() {}
}
public class Demo27 {public static void main(String[] args) {Singleton s1 = Singleton.getInstance();Singleton s2 = Singleton.getInstance();System.out.println(s1 == s2);//Singleton s3 = new Singleton();}
}

 （2）懒汉模式（缓执行，可能不执行）

懒是提高效率，节省开销的体现 啥时候调用，就啥时候创建，如果不调用，就不创建了

package thread;//单例模式，懒汉模式的实现
class SingletonLazy {private static SingletonLazy instance = null;public static SingletonLazy getInstance() {if (instance == null) {instance = new SingletonLazy();}return instance;}private SingletonLazy (){}
}public class Demo28 {public static void main(String[] args) {SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();System.out.println(s1 == s2);//SingletonLazy s3 = new SingletonLazy();}
}

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Q：如果有多个线程同时调用getInstance，是否会产生线程安全问题？

A：

• 饿汉模式不存在线程安全问题，而懒汉模式存在
   
• 饿汉模式：实例早就有了，每个线程getInstance，就是读取上面的静态变量，多个线程读取同一个变量，是线程安全的
• 懒汉模式：instance = new SingletonLazy，赋值操作就是修改，而且操作不是原子的，肯定就是线程不安全的

图解：懒汉模式：非原子性操作

• 还可能存在其他执行顺序，t2再次new，可能创建多个实例
• instance只是一个引用，instance中地址指向的那个对象可能就是一个大对象，上述代码会出现覆盖，第二个对象的地址覆盖了第一个，进一步第一个对象没有引用指向了，就会被GC回收（但是这个创建时间的开销，是客观存在的）

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4.应用场景

（1）写的服务器，要从硬盘上加载100G的数据到内存（加载到若干个哈希表中），肯定要写一个类，封装上述加载操作，并且获取一些获取、处理数据的业务逻辑

• 代码中的有些对象，本身就不应该是多个实例的，从业务角度就应该是单个实例
  一个实例就管理100G的内存数据
• 搞多个实例，就是N*100G的内存数据，机器肯定吃不消，没必要

（2）MySQL的配置文件，专门管理配置，需要加载配置数据到内存中提供其他代码使用，这样的类也是单例的

• 如果是多个实例，就存储了多份数据，如果一样还罢了，如果不一样，以哪个为准？

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🔥5.多线程中的单例模式

懒汉模式的线程安全问题如何解决呢？

（1）加锁

Q：这样加锁线程就安全了吗？

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

A： 没有，t2拿到锁后，还在直接执行new操作

图解：

应该把if和new操作打包成一个原子操作

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

（2）双重if

 加锁之后的问题Q：懒汉模式只有最开始调用getInstance会存在线程安全问题，一旦把实例创建好了，后续再调用，就是只读操作，就不存在线程安全问题了，但是上述代码，只要一调用getInstance方法，就需要先加锁，再执行后续操作（后续没有线程安全问题，还要加锁，有开销）

真正的解决A：再加一层判断

连续两次一样的条件判断（单线程中无意义，但是多线程含义就不一样）

第一层if：判定是否要加锁（new之前要加锁，new之后就不用加了）

第二层if：判断是否要创建对象

 指令级理解

 t2拿到锁，这个时候instance已经被t1修改了

（3）volatie

private static volatile SingletonLazy instance = null;

为了保证第一次线程修改，后续线程一定会读到，加上volatile【避免内存可见性+指令重排序问题】

综上：懒汉模式的线程安全版

//单例模式，懒汉模式的实现
class SingletonLazy {private static volatile SingletonLazy instance = null;private static Object locker = new Object();public static SingletonLazy getInstance() {if (instance == null) {synchronized (locker) {if(instance == null) {instance = new SingletonLazy();}}}return instance;}private SingletonLazy (){}
}

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6.指令重排序（小概率出现问题）

编译器的优化策略有很多： ​

把读内存优化到读寄存器，指令重排序，循环展开，条件分支预测...

（1）什么是指令重排序？

编译器会在保证逻辑是等价的情况下，调整二进制指令的执行顺序，从而提高效率

• 正常来说写的代码，最终会编译成为一系列的二进制指令，CPU会按照顺序，一条一条执行

 （2）以Instance = new SingletonLazy( );为例分析

• 这行代码可以细分为三个步骤
  • 申请内存空间
  • 调用构造方法（对内存空间进行优化）
  • 把此时内存空间的地址，赋值给Instance引用
• 在指令重排序的策略下，上述执行的过程，不一定是123，也可能是132（但是1一定先执行）
  • 132这样的执行顺序，就可能存在线程安全问题
• 指令级理解

  

  • 3一旦执行完，就意味着instance就非null，但是指向的对象其实是一个未初始化的对象（里面的成员都是0）
  • 执行到t2的时候，instance已经非null了，这里的条件无法进行，直接返回未初始完毕的instance
  • 后续如果t2中还有其他逻辑，就会对未初始完毕的对象进行操作，这样存在严重的问题

（3）解决上述指令重排序问题

• 加上volatile，主要是针对某个对象的读写过程中，不会出现重排序
  • 很多地方都能重排序，但是只是针对这一过程中
  • 这样t2线程读到的数据，一定是t1已经构造完毕的完整对象了（一定是123执行的对象）

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7.延伸：了解

（1）单例模式要确保反射下安全，即使动用反射也无法破坏单例特性

（2）单例模式要确保序列化下安全，即使动用Java标准库的序列化机制，也无法破坏单例特性

• enum类型的实例天然支持序列化和反序列化
• 序列化：把对象转为二进制字符串

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🔥8.常见考察

（1）为什么说饿汉式单例天生就是线程安全的？

实例早就有了，每个线程getInstance，就是读取上面的静态变量，多个线程读取同一个变量，是线程安全的

（2）传统的懒汉式单例为什么是非线程安全的？

instance = new SingletonLazy，赋值操作就是修改，而且操作不是原子的，肯定就是线程不安全的

（3）怎么修改传统的懒汉式单例，使其线程变得安全？

1.线程不安全的版本

2.加锁版本

3.加上双重if

4.最后加上volatile

（4）线程安全的单例的实现还有哪些，怎么实现？

静态内部类单例

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

 静态内部类在外部类加载时不会被加载，只有在调用 getInstance 方法时才会加载类，从而创建实例。类加载过程是线程安全的，所以这种方式实现了线程安全的单例，并且具有延迟加载的特性

（5）双重检查模式、Volatile关键字在单例模式中的应用

1.双重检查模式：

第一层if：判定是否要加锁（new之前要加锁，new之后就不用加了）

第二层if：判断是否要创建对象

2.Volatile关键字：避免内存可见性+指令重排序问题

（6）ThreadLocal在单例模式中的应用

public class ThreadLocalSingleton {private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> threadLocalInstance = new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>() {@Overrideprotected ThreadLocalSingleton initialValue() {return new ThreadLocalSingleton();}};private ThreadLocalSingleton() {}public static ThreadLocalSingleton getInstance() {return threadLocalInstance.get();}
}

ThreadLocal 会为每个使用该实例的线程都提供一个独立的副本，每个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其他线程所对应的副本。在单例模式中使用 ThreadLocal，可以保证每个线程都有自己的单例实例，适用于需要在每个线程中维护单例状态的场景 

（7）枚举式单例

public enum EnumSingleton {INSTANCE;public void doSomething() {System.out.println("Doing something...");}
}

 枚举式单例是实现单例模式的最佳方式之一。它是线程安全的，因为枚举类型的实例创建是由 JVM 保证线程安全的。而且枚举类型可以防止反序列化和反射攻击，因为 Java 规范中规定，枚举类型的 clone()、readObject()、readResolve() 等方法都不会破坏单例的唯一性。使用时可以直接通过 EnumSingleton.INSTANCE 来获取单例实例