教你一步步写完美的单例模式

之前只会写固定的单例模式,没有仔细研究过。最佳在书上看到介绍一步步单例模式。不过是用cpp写的,与是自己用java一步步实现一遍。

Step1 适应于单线程的Singleton

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    
    private static Singleton INSTANCE=null;
    
    public static Singleton getInstance(){
        if (INSTANCE==null) {
            INSTANCE=new Singleton();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

我们将构造方法设为private避免了类在外部被实例化,这样在同一个虚拟机范围内,Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。并且我们的方法和成员变量都是静态的。

不足

这种方法如果在单线程中使用是能够正常运行的,但是如果我们是在多线程情况下呢?想一想,如果有两个或以上的同学运行到判断instance是否为null的if语句的时候,这个时候如果instance没有创建,那么这些线程都会创建instance。这是就不满足我们的单例要求了。

Step2 在多线程下的Singleton

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    
    private volatile static Singleton INSTANCE = null;
    
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if (INSTANCE==null) {
            INSTANCE=new Singleton();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

不细心的你可能会说这两行代码不是一样的吗。不对,我们对getInstance方法实现了同步锁。此时如果有多个线程想创建一个实例,因为在同一时刻只能由一个线程得到同步锁,当第一个线程加上锁时,后面的线程就需要等待。当第一个线程发现instance还没有创建的时候就会去创建。接着第一个线程释放同步锁,后面的线程加上同步锁,这时候实例已经由第一个线程创建了,所有第二个线程就不会重复的去创建了。

不足

虽然我们实现了多线程环境下的单例,但是你会发现我们每次在通过getInstance获取实例时,我们都视图去加上一个锁,但是加锁是一个耗时操作,我们应该尽量避免它。

Step3 避免加锁带来的耗时

我们只需要当我们的实例还没有创建的时候进行加锁防止多个线程同时创建实例,当实例已经创建的时候我们就应该避免加锁。

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    
    private volatile static Singleton INSTANCE = null;//使用volatile修饰禁止java重排序
    
    public static  Singleton getInstance(){
        if (INSTANCE==null) {
            synchronized (Singleton.class){
                if (INSTANCE==null) {   //二次检测
                    INSTANCE=new Singleton();   
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

我们在加锁前进行一次判断,这样只有当instance不存在的时候才需要加锁操作。这样我们的单例写的比较完美了,但是if语句的判断容易增加我们代码的错误率,精益求精的我们肯定不止步于此,再来想想更加优秀的解法。

一开始我是没有使用volatile修饰符的,这样可能出现一个问题,在另一个线一中看到以个初始化了一半的instance的情况,但使用了volatile变量后,就能保证先行发生关系(happens-before relationship)。对于volatile变量_instance,所有的写(write)都将先行发生于读(read),在Java 5之前不是这样,所以在这之前使用双重检查锁有问题。有了先行发生的保障(happens-before guarantee),可以认为它是安全的

推荐解法一

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

对了,上没的几种方法和解法一都是我们常说的懒汉模式。懒汉模式实现的是按需加载的单例模式。只有当我们需要的时候调用getInstance方法才会实例化这个单例。

推荐解法二

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

    public static final Singleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

上面这种就是饿汉模式了,饿汉就是类一旦加载,就把单例初始化完成,保证getInstance的时候,需要的实例是已经存在的了。因为饿汉模式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用,以后不再改变,所以天生是线程安全的。

推荐解法三

public enum Singleton{
    INSTANCE;
}

除过枚举实现的单例模式以外的其他实现方式都有一个比较大的问题是一旦实现了 Serializable 接口后就不再是单例了,因为每次调用 readObject() 方法返回的都是一个新创建出来的对象(当然可以通过使用 readResolve() 方法来避免,但是终归麻烦),而 Java 规范中保证了每一个枚举类型及其定义的枚举变量在 JVM 中都是唯一的,在枚举类型的序列化和反序列化上 Java 做了特殊处理,序列化时 Java 仅仅是将枚举对象的 name 属性输出到结果中,反序列化时则是通过 java.lang.Enum 的 valueOf 方法来根据名字查找枚举对象,同时禁用了 writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace 和 readResolve 等方法。参考这里

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