2023.10.19 关于设计模式 —— 单例模式

目录

引言

单例模式

饿汉模式

懒汉模式

懒汉模式线程安全问题 

分析原因

---

引言

• 设计模式为编写代码的 约定 和 规范

---

阅读下面文章前建议点击下方链接明白 对象 和 类对象

对象和类对象

---

单例模式

• 单个实例（对象）
• 在某些场景中有特定的类，其只能被创建出一个实例，不应该被创建多个实例
• 而 单例模式 就针对上述的需求场景进行更强制的保证
• 通过巧用 java 的现有语法，实现了某个类只能被创建出一个实例的效果
• 从而当程序员不小心创建出多个实例时，会编译报错

---

实例理解：

• JDBC 编程中的 DataSource 类，我们仅连接一个数据库时
• DataSource 类描述数据的来源，用于获取数据库连接，因为数据只来源于一个数据库，所以我们仅创建一个实例即可，无需创建多个实例
• 从而该场景适合使用单例模式

---

具体思路：

•  static 关键字可以将成员变量或方法声明为静态的，让它们属于类级别而不是实例级别
• 因此我们可以将 单例对象 声明为静态变量，让其可以在任何地方直接通过类名来访问，无需创建类的实例
• 从而这样便可以方便地获取单例对象，并且对于多个调用者来说，始终返回同一个实例

---

简单理解：

•  static 关键字将 单例对象 转为 静态变量
• 因此 单例对象 便从 与实例相关联 转为 与类相关联
• 又因为 在一个 java 进程中，对于同一个类，只会存在一个对应的类对象
• 所以该 类对象内部的类属性也仅会存在一份，也就是作为类属性的 单例对象 也仅会存在一份

---

饿汉模式

// 饿汉模式的 单例模式 实现
// 此处保证 Singleton 这个类只能创建出一个实例
class Singleton {
//    在此处，先把这个实例给创建出来了
//    使用 private 修饰是为了防止在类外对 Singleton 实例 instance 进行修改
    private static Singleton instance = new Singleton();
 
//    如果需要使用这个唯一实例，统一通过 Singleton.getInstance() 方式来获取
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
 
//    为了避免 Singleton 类不小心被复制出来多份
//    把构造方法设为 private ，在类外面就无法通过 new 的方式来创建这个 Singleton 实例了
    private Singleton() {}
}
 
public class ThreadDemo19 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton s = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(s == s2);
    }
}

• 该模式表示在类加载阶段，就已经把实例创建出来了
• 所以 "饿汉" 一词便体现出创建该实例的急迫感

---

懒汉模式

class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;
 
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
    private SingletonLazy(){}
}
 
public class ThreadDemo20 {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

• 该模式在创建实例时并非是在类加载阶段，就已经把实例创建出来了
• 而是当真正第一次使用的时候才创建实例
• 所以相比于 "饿汉" 模式创建实例的急切感，"懒汉" 模式则显得没那么着急

---

阅读下面文章之前建议点击下方链接了解清楚线程安全问题

线程安全问题详解

---

懒汉模式线程安全问题 

• 相比于 饿汉模式 仅涉及到读操作
• 懒汉模式 则既涉及到 写操作 又涉及到 读操作

• 显然 懒汉模式 有着线程安全问题

---

分析原因

• 懒汉模式线程安全问题的本质为 读操作、比较操作、写操作 这三个操作并不是原子的
• 从而便会导致线程t2 读到的 instance 值可能是线程t1 还没来得及写的
• 这也就是我们常说的 脏读

• 此时我们便可以利用 synchronized 关键字来进行加锁，使得上图中的指令变为原子的

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

• 加锁的对象是 SingletonLazy.class 类对象
• 该锁是基于类的

• 虽然对 SingletonLazy.class 类对象进行加锁能解决多线程之间脏读的问题
• 但是也导致了每次调用 getInstance 方法时都需要先进行加锁，才能进入方法内部进行判断 instance 是否为空，非空则触发 return 直接返回单例对象
• 我们要清楚的一点是 加锁操的开销还挺大，会涉及到用户态到内核态之间的切换，这样切换成本的成本是很高的
• 要注意到的是 在 new 完单例对象之后，后续再调用 getInstance 方法时，我们仅会直接返回单例对象，即仅涉及到读操作，这是没有线程安全问题的
• 所以在 new 出对象之前有加锁操作，这是十分有必要的，即任意线程第一次调用getInstance 方法
•  在 new 完单例对象之后，我们无需再进行加锁操作，这样便可以很大程度上提高效率

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

• 我们便可以在 加锁操作 的外层再加上个 if 判断，判断 instance 对象是否已经被创建出来了
• 从而该代码只会在任意线程第一次调用 getInstance 方法时，才会进行加锁操作
• 从而此处不再是无脑加锁，而是满足了特定条件之后，才真正加锁

• 我们需要理解此处为什么会有两个相同的 if 判断
• 首先如果这两个 if 判断之间没有加锁操作，那么写两个一模一样 if 判断是毫无意义的
• 但是正因为这两个 if 判断之间有加锁操作，而加锁操作就可能会引起线程阻塞，当线程竞争到锁之后，再执行到第二个 if 判断的时候，可能与第一次执行 if 判断之前隔了很长一段时间

举例理解：

• 线程A 第一次调用 getInstance 方法，读取到 instance 为 null，通过第一次 if 判定，并成功为锁对象进行加锁操作，然后再次读取到 instance 为 null，通过第二次 if 判定，进而直接 new 出一个 instance 对象，最后再将锁释放
• 可能线程B 比线程A 晚一点点的调用了 getInstance 方法，可能此时线程A 并未修改完instance 的值，从而线程B 读取到 instance 为 null，通过了第一次 if 判定，然后进行阻塞等待线程A 释放锁，但正是在线程B 等待锁的在这段时间里，线程A 已经将 instance 对象给创建出来了，此时线程B 再获取到锁时，instance 的值已经发生改变了，线程B 再次读取 instance 的值，此时 instance 不为 null，从而未通过第二次 if 判断，直接返回 instance 的值，这就意味着第二次 if 判断成功阻止了线程B 再创建一个新的 instance 对象
• 根据上述例子，深入理解 图中第一个 if 负责判定是否要加锁，解决了每次调用getInstance 方法时都需要引入无意义的加锁操作，很大程度上减少了开销，第二个 if 负责判定是否要创建对象，是最初为了保障单例模式，引入的必要条件
• 这两 if 判断的目的是完全不相同的，只是碰巧代码是一样的！

---

• 上述仅解决了多线程之间 脏读 的问题，但是还可能会有 内存可见性问题
• 假设有很多线程，都去执行 getInstance 方法，这个时候便可能存在被优化的风险，即只有第一次读才是真正读了内存，后续都是读寄存器或 cache 
• 同时还可能涉及到 指令重排序问题
• 编译器为了提高程序的效率，调整代码执行顺序
• 即 我们可以将 instance = new Singleton()，拆分为三个步骤
• 步骤 1：申请内存空间
• 步骤 2：调用构造方法，把这个内存空间初始化成一个合理的对象
• 步骤 3：把内存空间的地址赋值给 instance 引用
• 编译器可能将步骤的执行顺序由 1、2、3，优化重排序为 1、3、2
• 如果仅是在单线程场景下，执行步骤的调换是没有任何影响的
• 但是如果是在多线程环境下，我们举一个简单例子来理解指令重排序所带来的问题

举例理解：

• 假设编译器优化指令重排序，线程A 的步骤执行顺序变为 1、3、2，如果线程A 执行完步骤 1、3，正当要执行步骤 2 时，被切出 CPU，CPU 调度执行线程B
• 我们要注意到的是，此时线程A 执行完步骤 1、3 后会创建出一个非法对象，即该对象仅分配了内存，其数据是无效的，只有执行完步骤 2 才会把这个内存空间初始化成一个合理的对象
• 那么当 CPU 调度执行线程B 时，线程B 又正好调用 getInstance 方法，此刻便会进入第一个 if 判断，获取 instance 对象的值，来判断是否为 null
• 因为 instance 对象 已经被分配好了内存空间，所以线程B 获取到的 instance 对象值并不会为 null
• 所以线程B 将会直接返回该 instance 对象
• 注意此处线程B 返回的 instance 对象 是上述讲的非法对象，即仅分配了内存，其数据是无效的
• 所以之后 线程B 拿着这个非法对象，来进行使用便将会出现许多问题和错误

解决方法：

• 引入 volatile 关键字
• volatile 关键字的功能正好能解决 内存可见性 和 指令重排序

class SingletonLazy {
    private volatile static SingletonLazy instance = null;
 
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null){
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
 
    private SingletonLazy(){}
}
 
public class ThreadDemo20 {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

• 以上完整的代码便是 线程安全的懒汉模式 完全体