单例模式【JavaEE初阶】

一、单例模式的概念

        单例模式是一种常见的设计模式 。单例模式希望：有些对象，在一个程序中应该只有唯一一个实例，就可以使用单例模式 。换句话说，在单例模式下，对象的实例化被限制了，只能创建一个，多了也报错创建不了 

单例模式的设计：类似于棋谱，是 前辈们已经总结好了的一些固定套路，照着棋谱来下棋，棋就不会下的太差，这就提高了下限 

二、单例模式的简单实现

在 Java 里面的单例模式，有很多种实现方式，在这里主要介绍两个大类：饿汉模式、懒汉模式 

饿汉模式 和 懒汉模式 两种模式，描述了创建实例的时间。

比如说，想要了解某个资料（大文件 10G，存放在硬盘中），那么 此时使用某个编辑器，打开文件，就会出现两种情况：

• 饿汉：把 10G 都读到内存中，读取完毕之后 再允许用户进行查看和修改~
• 懒汉：只读取一点点（当前屏幕能显示出的范围），随着用户翻页，继续再读后续内容~

        所以说，如果是 饿汉模式，那么显示所需要的时间就会比较多；如果是 懒汉模式，那么显示的时间就会比较低，效率就会比较高（也有可能 用户打开文件以后，只看了两眼就关了，后面的大部分都没有读，那么内存读了那么多也没有意义） 

所以，通常我们都认为，懒汉模式 要比 饿汉模式 更高效 

像 刷抖音、看小说、看微信、上网浏览内容等 都是借鉴了 懒汉模式 

2.1 饿汉模式

饿汉模式 的意思是，程序一旦启动，就会立刻创建实例 。

这就好比，一个饿了的人，看到一张饼，就会迫不及待的往嘴里塞，我们把它叫做 "饿汉" 

static关键字 的来龙去脉：

static 名字叫做 "静态"，但是实际上和字面意思没有任何的关系，这是一个历史遗留的问题~

实际表示的含义是 "类属性 / 类方法"，同样的，我们把 不是静态的普通的成员叫做 "实例属性 / 实例方法" 

Java 里面叫做 "静态" 是因为 C++ 里面表示 "类属性"，就是用 static，Java 是从 C++ 那里抄来的；而 C++ 则是因为 引入面向对象之后。需要搞一个方式来定义类属性，就需要引入一个关键字，但是引入新的关键字 成本极高，所以关键字设计者的大佬们 目光就盯住了 旧的关键字 

于是，static 就中招了，static 原来表示的是 变量放到静态内存区，但是随着时间的推移，系统的进化，已经没有 "静态内存区" 这个说法了，但是 static关键字 还在，于是 "旧瓶装新酒"，就用来表示 "类属性 / 类方法" 了~

此时，"类属性 / 类方法" 和 静不静态 字面意思上没有啥关系，只是 随便找一个之前旧的关键字，现在没啥用了，赋予一个新的功能，仅此而已~

引入新的关键字成本极高的原因：

写代码的时候，变量名不能和关键字一样，当引入新的关键字的时候，不可以确定 其他人是不是已经引入了 新的关键字 作为变量名 

更大的可能是 新的关键字一引入，就会导致已有的一些代码 编译就会失败 

然后这把火就会烧到了 关键字设计者 的身上~而类属性就长在类对象上，类对象在整个程序中只有唯一一个实例（JVM保证的） ，所以说 类的静态成员就只有唯一一个了 

package thread;
//单例模式：饿汉模式
class Singleton { 
    //在此处，先把实例给创建出来了
    private static Singleton instance = new Singleton();
 
    //后续如果需要这个实例，就需要统一基于 getInstance 方法来获取
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    //为了避免Singleton类不小心被实例化，要把构造方法设为私有
    //此时在类外面，其他类想来 new 就不可以了 (通过 编译器的规则来确保只有一个实例对象)
    //
    private Singleton() {
    }
}
 
 
public class Demo19 {
    public static void main(String[] args) {
        //饿汉模式 的调用
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance3 = new Singleton();
        System.out.println(instance == instance2);  //true
    }
}

运行结果：

如果不小心 想创建另一个实例，那么就会编译报错了：

总结：

static的作用：

1. static让当前instance属性成为类属性，类属性是长在类对象上的，类对象又是唯一实例的（只在类加载阶段被创建出一个实例），那么就保证这个实例的唯一性
2. 保证这个实例确实在一定时机中被创建出来

构造方法设为private，那么除自己类，外面的类都无法new

使用 静态成员表示实例（唯一性） + 让构造方法设为私有（堵住了 new 创建新实例的口子） 

按照上面的代码，当 Singleton类 被加载的时候，就会执行到 实例化操作，此时 实例化的时机非常早（非常迫切的感觉），我们把它称为 饿汉模式 

对于饿汉模式来说，在多线程的情况下，多次调用的是 getInstance() 方法， 而 这个方法只是一个 读操作，对于多线程读操作来说，是线程安全的 

2.2 懒汉模式

懒汉模式 的意思是，程序启动，先不着急创建实例，等到真正用的时候，再创建实例 

这个也很形象，比较 "懒"，不想干活，等到必要的时候再去干活 

//懒汉模式的实现
class SingletLazy {
    //此处没有立即创建实例
    private static SingletLazy instance = null;
 
    //当首次调用 getInstance() 的时候，才会创建实例
    public static SingletLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletLazy();
        }
        return instance;
    }
 
    //同理，创建构造方法 SingletLazy()，防止该类实例化其他的对象
    private SingletLazy() { }
}

在多线程的情况下，懒汉模式，多次调用 getInstance() 方法，而且涉及到了 两次读操作（读出 instance 是否为空，读出 返回的instance值）和 一次写操作（修改 instance 变量的值），这是线程不安全的 

当然，一旦实例创建好了以后，后续 if 条件语句就进不去了，此时也就是 全是读操作了，也就线程安全了 

既然已经明确了，懒汉模式 是线程不安全的，那么 如何解决懒汉模式线程不安全的问题呢？

办法就是 需要加锁！！！

通过 加锁 来保证 "判断" 和 "修改" 这组操作是原子的（这里的线程安全本质是读和写这三个操作不是原子的，导致t2读到的数据可能是t1还没来得及写的（脏读））

//懒汉模式的实现
class SingletLazy {
    //此处没有立即创建实例
    private static SingletLazy instance = null;
 
    //当首次调用 getInstance() 的时候，才会创建实例
    public static SingletLazy getInstance() {
        synchronized (SingletLazy.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new SingletLazy();
            }
        }
        return instance;
    }
 
    //同理，创建构造方法 SingletLazy()，防止该类实例化其他的对象
    private SingletLazy() { }
}

懒汉模式，只是在初始情况下才会有线程不安全的问题，一旦实例创建好了以后，此时就安全了.

所以说，在后续调用 getInstance 的时候就不应该尝试加锁了 

如果使用上述的代码，无论 instance 是否为空（是否初始化），都会进行加锁，使得锁竞争加剧，消耗一些没有必要消耗的资源，就会很影响效率了 

在加锁之前，还需要进行判断 instance 是否为空（是否初始化），如果为空才会进行加锁： 

//懒汉模式的实现
class SingletLazy {
    //此处没有立即创建实例
    private static SingletLazy instance = null;
 
    //当首次调用 getInstance() 的时候，才会创建实例
    public static SingletLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
 
    //同理，创建构造方法 SingletLazy()，防止该类实例化其他的对象
    private SingletLazy() { }
}

分析：

外层 if 判定当前是否已经初始化好，如果未初始化好，就尝试加锁；如果已经初始化好，那么就接着往下走~

里层 if 是在多个线程尝试初始化，产生了锁竞争，这些参与竞争的线程 拿到锁之后，再进一步确认，是否真的要初始化~

当然，上面的代码操作还是有一些问题的 —— 有的线程在读，有的线程在写~

这就联想起了 —— 内存可见性问题~

其实，这里的情况 和 之前的情况还不一样，每一个线程都有自己的上下文，都有自己的寄存器内容，按理来说 是不应该会出现优化的~

但是，实际上也不好说，也并不能保证 编译器优化 是啥样的过程~

因此，给 instance 加上 volatile 是更加稳健的做法~

如果不加 volatile 不一定会有问题，但是 稳妥起见，还是加上更好 

这里的volatile有两个功能：

1. 解决内存可见性
2. 禁止指令重排序

//懒汉模式的实现
class SingletLazy {
    //此处没有立即创建实例
    volatile private static SingletLazy instance = null;
 
    //当首次调用 getInstance() 的时候，才会创建实例
    public static SingletLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
 
    //同理，创建构造方法 SingletLazy()，防止该类实例化其他的对象
    private SingletLazy() { }
}

总结：

懒汉模式 线程的三个要点：

1. 加锁
2. 双重 if
3. volatile（不加可能是错的，但加了一定是正确的）

关于 单例模式 的内容就先介绍到这里了，当然，在 Java 中也有许多其他的方式 也可以实现单例模式，如 基于枚举、基于内部类 等等