Java单例模式底层详解

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Java单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
注意：

单例类只能有一个实例。
单例类必须自己创建自己的唯一实例。
单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

问题的由来

为什么单例

多个线程操作不同实例对象。多个线程要操作同一对象，要保证对象的唯一性。保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

单例解决的问题

实例化过程中只实例化一次，解决一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

解决的思路

判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。
* 有一个实例化的过程（只有一次），产生实例化对象。
* 提供返回实例对象的方法 getInstace()
在这里插入图片描述

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。
SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。
SingletonPatternDemo，使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

单例模式分类

根据线程的安全性、性能、懒加载（lazy ）等，可将单例模式如下分类。

饿汉模式

是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。

在加载的时候已经被实例化，所以只有这一次，线程安全的。
它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

public class HungrySingleton {
    //加载的时候就产生的实例对象
    private static HungrySingleton instance=new HungrySingleton();
    private HungrySingleton(){
    }
    //返回实例对象
   public static HungrySingleton getInstance(){
        return instance;
   }

测试代码：

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                System.out.println(HungrySingleton.getInstance());
            }).start();
        }
    }
}

上述代码执行后的结果：

com.leehao.HungrySingleton@5ca02bd8
com.leehao.HungrySingleton@5ca02bd8
com.leehao.HungrySingleton@5ca02bd8
com.leehao.HungrySingleton@5ca02bd8
com.leehao.HungrySingleton@5ca02bd8
com.leehao.HungrySingleton@5ca02bd8
com.leehao.HungrySingleton@5ca02bd8
com.leehao.HungrySingleton@5ca02bd8
com.leehao.HungrySingleton@5ca02bd8
com.leehao.HungrySingleton@5ca02bd8

多个线程所获取到的对象为同一个对象。

懒汉式（线程不安全）

public class HoonSingleton {
    private static HoonSingleton instance;
    private HoonSingleton() {
    }
    public static HoonSingleton getInstance(){
        if (null == instance){
            instance = new HoonSingleton();
        }
        return instance;
    }
}

在这里插入图片描述

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：否
实现难度：易
描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

懒汉式（线程安全）

public class HoonSyncSingleton {
    private static HoonSyncSingleton instance;
    private HoonSyncSingleton () {
    }
    public static synchronized  HoonSyncSingleton getInstance(){
        if (null == instance){
            instance = new HoonSyncSingleton ();
        }
        return instance;
    }
}

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。

缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率，退化到了串行执行。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。
如果，我们对上述代码进行改造，将synchronized 从方法级别调整至代码片段级别：

public static  HoonSyncSingleton getInstance() {
       if (null == instance) {
           synchronized (HoonSyncSingleton.class){
               instance = new HoonSyncSingleton();
           }
       }
       return instance;
   }

那么，在提高效率的同时，会不会带来其他问题呢？答案是，会出现线程不安全。
在这里插入图片描述

当多个线程执行到if (null == instance)时后，因为该条件满足这几个线程当前的判断条件，所以多个线程均会执行大括号中的程序，创建多个对象，从而导致线程不安全。为了解决这个问题，我们引入了DCL模式，具体的见下个例子。

双检锁/双重校验锁（DCL）

DCL，即 double-checked locking。

public class DCLSingleton {
    private static DCLSingleton instance = null;

    private DCLSingleton() {
    }

    public DCLSingleton getInstance() {
        if (null == instance) {
            synchronized (DCLSingleton.class) {
                if (null == instance) {
                    instance = new DCLSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：较复杂

描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。getInstance() 的性能对应用程序很关键。
问题：因为指令重排引起空指针异常。
伪码如下：

private static DCLSingletonDemo instance = null;
   Connection connection;
   Socket socket;
   private DCLSingletonDemo() {
       //连接赋值
       connection;
       //通信赋值
       socket;
       instance = new DCLSingletonDemo();
   }

线程1进行实例化的过程中，由于指令重排序，有可能首先执行instance = new DCLSingletonDemo();，执行之后还未来得及对connection和socket进行处理，线程2马上进来了，判断instance!=null，认为已经被实例化了，那么在调用connection和socket的时候，会引发空指针异常。

volatile+DCL

为了解决指令重排引起空指针异常，引入了volatile。
private volatile static DCL instance=null;
让该语句前面的语句在instance前面完成，后面的语句在该语句之后完成，强制指定该语句的执行位置。

Holder 登记式/静态内部类

声明类的时候，成员变量中不声明实例变量，而放到内部静态类中。
目前最广泛使用的一种单例模式。

public class HolderDemo {
    private HolderDemo(){

    }
    //因为是静态类，只能被加载一次。
    private static class Holder{
        private static final HolderDemo instance=new HolderDemo();
    }
    //懒加载
    //synchronized
    //<init>
    public static final HolderDemo getInstance(){
        return Holder.instance;
    }
}

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：一般
描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程。
它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。
想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

枚举-单例模式

public enum Singleton {  
	//常量
    INSTANCE;
     public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    } 
}

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。
不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。

枚举（优化）-单例模式

public class EnumSingleton {
    private EnumSingleton() {
    }
    //延迟加载、懒加载
    private enum EnumHolder {
        //EnumHolder类型
        INSTANCE;
        private static EnumSingleton instance = null;
        private EnumSingleton getInstance() {
            instance = new EnumSingleton();
            return instance;
        }
    }
    public static EnumSingleton getInstance() {
        return EnumHolder.INSTANCE.instance;
    }
}

总结

一般情况下，不建议使用懒汉方式，建议饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用双检锁方式。

Java

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Java单例模式底层详解

https://leehoward.cn/2020/04/06/Java单例模式底层详解/

作者

lihao

发布于

2020年4月6日

许可协议

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