多线程代码案例-1 单例模式

单例模式

单例模式是开发中常见的设计模式。

设计模式，是我们在编写代码时候的一种软性的规定，也就是说，我们遵守了设计模式，代码的下限就有了一定的保证。设计模式有很多种，在不同的语言中，也有不同的设计模式，设计模式也可以被认为是对编程语言语法的补充。

单例，即单个实例（对象），某个类在一个进程中，只应该创建出一个实例（原则上不应该创建出多个实例），使用单例模式，可以对我们的代码进行一个更为严格的校验和检查。

举个例子：有时候，代码中需要管理/持有大量的数据，此时有一个对象就可以了。比如：我需要一个对象管理10G的数据，如果我们不小心创建出多个对象，内存空间就会成倍地增长。

如何保证只有唯一的对象呢？我们可以选择“君子之约地方式”，写一个文档，文档上约定，每个接手维护代码的程序员，都不能对这个类创建多个实例（很显然，这种约定并不靠谱）我们期望让机器（编译器）能够对代码中的指定类，对创建的实例个数进行检验。如果发现创建出了多个实例，就直接编译报错，但是Java语法中本身没有办法直接约定某个对象能创建出几个实例，那么就需要程序员使用一些技巧来实现这样的效果。

实现单例模式的方式有很多种，这里介绍两种实现方式：饿汉模式和懒汉模式。

1 饿汉模式

代码如下：

//饿汉模式
//期望这个类只能有唯一的实例（一个进程中）
class Singleton{private static Singleton instance = new Singleton();//在这个类被加载时，就会初始化这个静态成员，实例创建的时机非常早——饿汉public static Singleton getInstance(){//其他代码想要使用这个类的实例就需要通过这个方法进行获取，// 不应该在其他代码中重新new这个对象而是使用这个方法获取这个现有的对象return instance;}private Singleton(){//其他代码就没法new了}
}

在这个类中，我们创建出了唯一的对象，被static修饰，说明这个变量是类变量，（由类对象所拥有（每个类的类对象只存在一个)，在类加载的时候，它就已经被初始化了）。

而将构造方法设为私有，就使得只能在当前类里面创建对象了,其他位置就不能再创建对象了，因此这个instance指向的对象就是唯一的对象。

其他代码要想使用这个类的实例，就需要通过这个getInstance（）方法获取这个对象，而无法在其他代码中new一个对象。

上述代码，称为”饿汉模式“，是单例模式中的一种简单的写法，”饿“形容”非常迫切“，实例在类加载的时候就创建了，创建的时机非常早，相当于程序一启动，实例就创建了。 

但是，上面的代码，面对反射，是无能为力的，也就是说，仍然可以通过反射来创建对象，但反射是属于非常规的编程手段，代码中随意使用反射是非常糟糕的。

2 懒汉模式

”懒“这个词，并不是贬义词，而是褒义词。社会能进步，科技能发展，生产效率提高，有很大部分原因都是因为懒。

举个生活中的例子（不考虑卫生）：

假如我每次吃完饭就洗碗，那我每次就需要洗全部的碗；但是如果我每次吃完饭把碗放着，等到下次吃饭的时候再洗，此时，如果我只要用到两个碗，那我就只需要洗两个碗就行了，很明显洗两个碗要比洗全部碗更加高效。

在计算机中，”懒“的思想就非常有意思，它通常代表着更加高效。

比如有一个非常大的文件（10GB），使用编辑器打开这个文件，如果是按照”饿汉“的方式 ，编辑器就会先把这10GB的数据都加载到内存中，然后再进行统一的展示。（但是加载了这么多数据，用户还是需要一点一点地看，没法一下子看完这么多）

如果是按照”懒汉“地方式，编辑器就会只读取一小部分数据（比如只读取10KB），把这10KB先展示出来，然后随着用户进行翻页之类的操作，再继续展示后面的数据。

加载10GB的时间会很长，但是加载10KB却只是一瞬间的事情……

懒汉模式，区别于饿汉模式，创建实例的时机不一样了，创建实例的时机会更晚，一直到第一次使用getInstance方法时才会创建实例。

代码如下（注意：这是一个不完整的代码，因为还有一些线程安全问题需要解决~~）：

//懒汉的方式实现单例模式class SingletonLazy{private static SingletonLazy instance = null;public static  SingletonLazy getInstance(){//饿汉模式是在类加载的时候就创建实例了，懒汉则会晚很多，且如果程序用不到这个方法就会省下了if (instance == null) {//如果首次调用就创建实例instance = new SingletonLazy();}}}//不是则返回之前创建的引用return instance;}private SingletonLazy(){}
}

第一行代码中仍然是先创建一个引用，但是这个引用不指向任何的对象。如果是首次调用getInstance方法，就会进入if条件，创建出对象并且让当前引用指向该对象。如果是后续调用getInstance方法，由于当前的instance已经不是null了，就会返回我们之前创建的引用了。

这样设定，仍然可以保证，该类的实例是唯一一个，与此同时，创建实例的时机就不再是程序驱动了，而是当第一次调用getInstance的时候，才会创建。。

而第一次调用getInstance这个操作的执行时机就不确定了，要看程序的实际需求，大概率会比饿汉这种方式要晚一些，甚至有可能整个程序压根用不到这个方法，也就把创建的操作给省下了。

有的程序，可能是根据一定的条件，来决定是否要进行某个操作，进一步来决定是否要创建实例。 

3 单例模式与线程安全

上面我们介绍的关于单例模式只是一个开始，接下来才是我们多线程的真正关键问题。即：上述我们编写的饿汉模式和懒汉模式，是否是线程安全的？

饿汉模式：

//饿汉模式
//期望这个类只能有唯一的实例（一个进程中）
class Singleton{private static Singleton instance = new Singleton();//在这个类被加载时，就会初始化这个静态成员，实例创建的时机非常早——饿汉public static Singleton getInstance(){//其他代码想要使用这个类的实例就需要通过这个方法进行获取，// 不应该在其他代码中重新new这个对象而是使用这个方法获取这个现有的对象return instance;}private Singleton(){//其他代码就没法new了}
}

对于饿汉模式来说，getInstance直接返回instance这个实例，这个操作，本质上就是一个读的操作（多个线程同时读取同一变量，是不会产生线程安全问题的）。因此，在多线程下，它是线程安全的。

懒汉模式 ：

//懒汉的方式实现单例模式class SingletonLazy{private static SingletonLazy instance = null;public static  SingletonLazy getInstance(){//饿汉模式是在类加载的时候就创建实例了，懒汉则会晚很多，且如果程序用不到这个方法就会省下了if (instance == null) {//如果首次调用就创建实例instance = new SingletonLazy();}//不是则返回之前创建的引用return instance;}private SingletonLazy(){}
}

再看懒汉模式，在懒汉模式中，代码中有读的操作（return instance），又有写的操作（instance = new SingletonLazy（））。 很明显，这是一个有线程安全问题的代码！！！

问题1：线程安全问题

因为多线程之间是随机调度，抢占是执行的，如果t1和 t2 按照下列的顺序执行代码，就会出现问题。

如果是t1和t2按照上述情况操作，就会导致实例被new了两次，这就不是单例模式了，就会出现bug了！！！

那如何解决当前的代码bug，使它变为一个线程安全的代码呢？

加锁~~

知道要加锁了？那大家不妨想想：如果我把锁像如下代码这样加下去，是否线程就安全了呢？

class SingletonLazy{private static SingletonLazy instance = null;Object locker = new Object;public static  SingletonLazy getInstance(){//饿汉模式是在类加载的时候就创建实例了，懒汉则会晚很多，且如果程序用不到这个方法就会省下了if (instance == null) {//如果首次调用就创建实例sychronized(locker){instance = new SingletonLazy();}}//不是则返回之前创建的引用return instance;}private SingletonLazy(){}
}

答案很显然：不行！！！因为如上述代码加锁仍然会发生刚才那样的线程不安全的情况。

所以这里如果想要代码正确执行，需要把if和new两个操作，打包成一个原子的操作(即加锁加在if语句的外面)。 

class SingletonLazy{private static SingletonLazy instance = null;Object locker = new Object;public static  SingletonLazy getInstance(){//饿汉模式是在类加载的时候就创建实例了，懒汉则会晚很多，且如果程序用不到这个方法就会省下了synchronized(locker){    if (instance == null) {//如果首次调用就创建实例instance = new SingletonLazy();}}  //不是则返回之前创建的引用return instance;}private SingletonLazy(){}
}

 

此时因为t1拿到了锁，t2进入阻塞，等t1执行完毕后（创建完对象后），t2进行判断，此时因为t1已经创建好了对象，所以t2就只能返回当前对象的引用了。 

多线程的代码是非常复杂的，代码稍微变化一点，结论就可能截然不同。千万不能认为，代码中加了锁就一定线程安全，不加锁就一定线程不安全，具体问题要具体分析，要分析这个代码在各种调度执行顺序下不同的情况，确保每种情况都不会出现bug！！！

 问题2：效率问题

上述代码还存在的另一个问题是效率问题：试想一下，当你创建完这个单例对象，你每次获取这个单例对象时（是读的操作，并不会有线程问题），每次都要去加锁、解锁，然后才能返回这个对象。（注意：加锁、解锁耗费的空间和时间都是很大的）。

所以为了优化上面的代码，我们可以再加上一层if，如果instance为null（需要执行写操作），考虑到线程安全问题，就需要加锁；如果instance不为null了，就不需要加锁了。

class SingletonLazy{private static SingletonLazy instance = null;Object locker = new Object;public static  SingletonLazy getInstance(){//饿汉模式是在类加载的时候就创建实例了，懒汉则会晚很多，且如果程序用不到这个方法就会省下了if(instance == null){synchronized(locker){    if (instance == null) {//如果首次调用就创建实例instance = new SingletonLazy();}}}    //不是则返回之前创建的引用return instance;}private SingletonLazy(){}
}

上面的代码，有两重完全相同if判断条件，但是他们的作用是完全不同的：

第一个if是判断是否需要加锁，第二个if是判断是否要创建对象！！！

巧合的是，两个if条件相同，但是他们的作用是完全不同的，这样就实现了双重校验锁。在以后的学习中，还可能出现两个if条件是相反的情况。

问题3：指令重排序问题

这个代码还有一点问题需要解决：我们之前在线程安全的原因中讲过的：指令重排序问题就在懒汉模式上出现了~~

指令重排序，也是编译器优化的一种方式。编译器会在保证逻辑不变的前提下，为了提高程序的效率，调整原有代码的执行顺序。

再举个生活中的例子：

我妈让我去超市买东西：西红柿、鸡蛋、黄瓜、茄子。

超市摊位分布图如下：

如果我按我妈给的顺序，那就会走出这样的路线： 

上述方案虽然也能完成我妈给的任务，但如果我对超市已经足够熟悉了，我就能够在保证逻辑不变

的情况下（买到4种菜），调整原有买菜的执行顺序，提高买菜效率： 

返回到代码中：

   instance = new SingletonLazy();

 上面这行代码，可以拆分为三个步骤：

1、申请一段内存空间。

2、调用构造方法，创建出当前实例。

3、把这个内存地址赋给instance这个引用。

上述代码可以按1、2、3这个顺序来执行，但是编译器也可能会优化成1、3、2这个顺序执行。这两种顺序在单线程下都是能够完成任务的。

1就相当于买了个房子

2相当于装修房子

3相当于拿到了房子的钥匙

通过1、2、3得到的房子，拿到的房子已经是装修好的，称为“精装房”；通过1、3、2得到的房子，拿到的房子需要自己装修，称为“毛坯房”，我们买房子时，上面的两种情况都可能发生。

但是，如果在多线程环境下，指令重排序就会引入新问题了。

上述代码中，由于 t1 线程执行完 1 3 步骤（申请一段内存空间，把内存空间的地址赋给引用变量，但并没有进行 2 调用构造方法的操作，会导致 instance指向的是一个未被初始化的对象）之后调度走，此时 instance 指向的是一个非 null 的，但是是未初始化的对象，此时 t2 线程判定 instance == null 不成立，就会直接 return，如果 t2 继续使用 instance 里面的属性或者方法，就会出现问题，引起代码的逻辑出现问题。 

那么我们应该如何解决当前问题呢？

volatile关键字

之前讲过volatile有两个功能：

1、保证内存可见性：每次访问变量都必须要重新读取内存，而不会优化为读寄存器/缓存。

2、禁止指令重排序：针对被volatile修饰的变量的读写操作的相关指令，是不能被重排序的。

懒汉模式的完整代码：

//经典面试题！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！
package Thread;
//懒汉的方式实现单例模式
//线程不安全，它在多线程环境下可能会创建多个实例
class SingletonLazy{//这个引用指向唯一实例，这个引用先初始化为null，而不是立即创建实例
private volatile static SingletonLazy instance = null;//针对这个变量的读写操作就不能重排序了
private static Object locker;
//第一次if判定是否要加锁，第二次if判定是否要创建对象//双重校验锁public static  SingletonLazy getInstance(){//饿汉模式是在类加载的时候就创建实例了，懒汉则会晚很多，且如果程序用不到这个方法就会省下了//加锁效率不高，且容易导致阻塞，所以再加一个判断提高效率if(instance ==null) {//判断是否为空，为空再加锁//不为空，说明是后续的调用就无需加锁了synchronized (locker) {if (instance == null) {//如果首次调用就创建实例instance = new SingletonLazy();}}}//不是则返回之前创建的引用return instance;}private SingletonLazy(){}
}