单例模式与双重检查锁定(double-checked locking)

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1. 饿汉式单例
public class Singleton
{
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton(){

}
public static Singleton getInstance(){
return instance;
}
}
这样的代码缺点是:第一次加载类的时候会连带着创建 Singleton 实例,这样的结果与我们所期望的不同,因为创建实例的时候可能并不是我们需要这个实例的时候。同时如果这个 Singleton 实例的创建非常消耗系统资源,而应用始终都没有使用 Singleton 实例,那么创建 Singleton 消耗的系统资源就被白白浪费了。
为了避免这种情况,我们通常使用惰性加载的机制,也就是在使用的时候才去创建。以上代码的惰性加载代码如下:2. 懒汉式单例
public class Singleton{
private static Singleton instance = null;
private Singleton(){

}
public static Singleton getInstance(){
if (instance == null)
instance = new Singleton();
return instance;
}
}
线程安全问题
这是如果两个线程 A 和 B 同时执行了该方法,然后以如下方式执行:
A 进入 if 判断,此时 instance 为 null,因此进入 if 内
B 进入 if 判断,此时 A 还没有创建 instance,因此 instance 也为 null,因此 B 也进入 if 内
A 创建了一个 instance 并返回
B 也创建了一个 instance 并返回
此时问题出现了,我们的单例被创建了两次,而这并不是我们所期望的。
3 各种解决方案及其存在的问题 3.1 使用 Class 锁机制 以上问题最直观的解决办法就是给 getInstance 方法加上一个 synchronize 前缀,这样每次只允许一个现成调用 getInstance 方法:
public static synchronized Singleton getInstance(){
if (instance == null)
instance = new Singleton();
return instance;
}
这种解决办法的确可以防止错误的出现,但是它却很影响性能:每次调用 getInstance 方法的时候都必须获得 Singleton 的锁,而实际上,当单例实例被创建以后,其后的请求没有必要再使用互斥机制了
3.2 double-checked locking 曾经有人为了解决以上问题,提出了 double-checked locking 的解决方案
public static Singleton getInstance(){
if (instance == null)
synchronized(instance){
if(instance == null)
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
让我们来看一下这个代码是如何工作的:首先当一个线程发出请求后,会先检查 instance 是否为 null,如果不是则直接返回其内容,这样避免了进入 synchronized 块所需要花费的资源。其次,即使第 2 节提到的情况发生了,两个线程同时进入了第一个 if 判断,那么他们也必须按照顺序执行 synchronized 块中的代码,第一个进入代码块的线程会创建一个新的 Singleton 实例,而后续的线程则因为无法通过 if 判断,而不会创建多余的实例。
上述描述似乎已经解决了我们面临的所有问题,但实际上,从 JVM 的角度讲,这些代码仍然可能发生错误。对于 JVM 而言,它执行的是一个个 Java 指令。在 Java 指令中创建对象和赋值操作是分开进行的,也就是说 instance = new Singleton(); 语句是分两步执行的。但是 JVM 并不保证这两个操作的先后顺序,也就是说有可能 JVM 会为新的 Singleton 实例分配空间,然后直接赋值给 instance 成员,然后再去初始化这个 Singleton 实例。( 即先赋值指向了内存地址,再初始化) 这样就使出错成为了可能,我们仍然以 A、B 两个线程为例:
A、B 线程同时进入了第一个 if 判断
A 首先进入 synchronized 块,由于 instance 为 null,所以它执行 instance = new Singleton();
由于 JVM 内部的优化机制,JVM 先画出了一些分配给 Singleton 实例的空白内存,并赋值给 instance 成员(注意此时 JVM 没有开始初始化这个实例),然后 A 离开了 synchronized 块。
B 进入 synchronized 块,由于 instance 此时不是 null,因此它马上离开了 synchronized 块并将结果返回给调用该方法的程序。
此时 B 线程打算使用 Singleton 实例,却发现它没有被初始化,于是错误发生了。
4 通过内部类实现多线程环境中的单例模式 为了实现慢加载,并且不希望每次调用 getInstance 时都必须互斥执行,最好并且最方便的解决办法如下:
public class Singleton{
private Singleton(){

}
private static class SingletonContainer{
private static Singleton instance = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance(){
return SingletonContainer.instance;
}
}
JVM 内部的机制能够保证当一个类被加载的时候,这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用 getInstance 的时候,JVM 能够帮我们保证 instance 只被创建一次,并且会保证把赋值给 instance 的内存初始化完毕,这样我们就不用担心 3.2 中的问题。此外该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制,这样就解决了 3.1 中的低效问题。最后 instance 是在第一次加载 SingletonContainer 类时被创建的,而 SingletonContainer 类则在调用 getInstance 方法的时候才会被加载,因此也实现了惰性加载。

正文完
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