设计模式之构建型模式（三）：单例模式

1. 单例模式优点

• 能够避免对象重复创建，节约空间并提升效率
• 避免由于操作不同实例导致的逻辑错误

2. 饿汉式

• 特点：单例变量在声明时就初始化

• 实现

  public class Singleton {
  
  	private static Singleton instance = new Singleton();
  	
  	private Singleton() {
  	}
  	
  	public static Singleton getInstance() {
  		return instance;
  	}
  }

• 分析

  • 优点：简单直观
  • 缺点：占用内存，增加类初始化时间

3. 懒汉式（一）：原教旨

• 特点：先声明一个空单例变量，需要用时再初始化

• 实现

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

• 分析

  • 优点：按需加载，避免了内存浪费，减少了类初始化时间
  • 缺点：线程不安全。如果有多个线程同一时间调用 getInstance() 方法，instance 变量可能会被实例化多次

4. 懒汉式（二）：线程安全

• 特点：给判空过程加锁

• 实现

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

• 分析

  • 优点：能保证多个线程调用 getInstance() 时，一次最多只有一个线程能够执行判空并 new 出实例的操作，所以 instance 只会实例化一次，实现线程安全
  • 缺点：当多个线程调用 getInstance() 时，每次都需要执行 synchronized 同步化方法，严重影响程序的执行效率

5. 懒汉式（三）：双重校验锁 + volatile

• 特点：在同步化之前，再加上一层检查

• 实现

  public class Singleton {
  	
  	// TODO: 加 volatile 关键字优化：禁止 JVM 底层指令重排，避免特殊情况下的空指针异常
  	private static Singleton instance = null; 
  	
  	private Singleton() {
  	}
  	
  	public static Singleton getInstance() {
  		if (instance == null) {
  			synchronized (Singleton.class) {
  				// 注意内部的判空不能去掉，即使外部有了一层判空
  				// 因为如果里面不做检查，可能会有两个线程同时通过了外面的判空检查
  				// 两个线程分别进入锁中进行 new 操作，导致创建多个实例
  				if (instance == null) {
  					instance = new Singleton();
  				}
  			}
  		}
  		reurn instance;
  	}
  }

• 分析

  • 优点：如果 instance 已经被实例化，则不会执行同步化操作，大大提升了程序效率
  • 缺点：JVM 底层为了优化程序执行效率，可能会对代码进行指令重排，导致在一些特殊情况下出现空指针。为了防止这个问题，更进一步的优化是给 instance 变量加上 volatile 关键字

6. 懒汉式（四）：静态内部类

• 特点：可以实现懒加载，可以保证线程安全

• 实现

  public class Singleton {
  	
  	private static class SingletonHolder {
  		public static Singleton instance = new Singleton();
  	}
  	
  	private Singleton() {
  	}
  	
  	public static Singleton getInstance() {
  		return SingletonHolder.instance;
  	}
  }

• 分析

  • 静态内部类方式是怎么实现懒加载的？

    • Java 类加载过程包括：加载、验证、准备、解析、初始化。初始化阶段即执行类的 clinit 方法（clinit = class + initialize），包括为类的静态变量赋初始值和执行静态代码块中的内容。但不会立即加载内部类，内部类会在使用时才加载。所以当外部类 Singleton 加载时，内部类 SingletonHolder 并不会被立即加载，所以不会像饿汉式那样占用内存
    • Java 虚拟机规定，当访问一个类的静态字段时，如果静态字段所属的类尚未初始化，则立即进行初始化。当调用外部类 Singleton 的 getInstance() 方法时，由于其使用了内部类 SingletonHolder 的静态变量 instance，所以这时才会去初始化内部类 SingletonHolder，在 SingletonHolder 中 new 出 Singleton 对象，这样就实现了懒加载

  • 静态内部类方式是怎么保证线程安全的？

    • Java 虚拟机的设计是非常稳定的，早已考虑到了多线程并发执行的情况。虚拟机在加载类的 clinit 方法时，会保证 clinit 方法在多线程中被正确地加锁、同步
    • 即使有多个线程同时去初始化一个类，一次也只有一个线程可以执行 clinit 方法，其他线程都需要阻塞等待，从而保证了线程安全

7. 饿汉式和懒汉式使用场景的一般建议

• 饿汉式：构建不复杂，加载完后会立即使用的单例对象
• 懒汉式：构建过程耗时较长，并不是所有使用此类都会用到的单例对象

8. 双重校验锁单例模式中，volatile 主要用来防止哪几条指令重排序？如果发生了重排序，会导致什么样的错误

• instance = new Singleton();，在这一行代码中，执行了三条重要指令

  1. 分配对象的内存空间
  2. 初始化对象
  3. 将变量 instance 指向刚分配的内存空间

• 如果第二条指令和第三条指令发生了重排序，可能导致 instance 还未初始化时，其他线程提前通过双重校验锁的外层 null 检查，获取到不为 null，但还没执行初始化的 intance 对象，导致空指针异常