《Java极简设计模式》第01章：单例模式（Singleton）

作者：冰河

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源码地址：https://github.com/binghe001/java-simple-design-patterns/tree/master/java-simple-design-singleton

沉淀，成长，突破，帮助他人，成就自我。

• 本章难度：★★☆☆☆
• 本章重点：介绍创建Java单例对象的七种方式，重点掌握哪些创建方式是线程安全的，哪些方式是线程不安全的，并能够在实际项目中灵活运用设计模式，编写可维护的代码。

大家好，我是冰河~~

今天给大家介绍《Java极简设计模式》的第01章，单例设计模式（Singleton），用最短的篇幅讲述设计模式最核心的知识，好了，开始今天的内容。

单例设计模式

看几个单例对象的示例代码，其中有些代码是线程安全的，有些则不是线程安全的，需要大家细细品味，这些代码也是冰河本人在高并发环境下测试验证过的。

• 代码一：SingletonExample1

这个类是懒汉模式，并且是线程不安全的

package io.binghe.concurrency.example.singleton;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 懒汉模式，单例实例在第一次使用的时候进行创建，这个类是线程不安全的
 */
public class SingletonExample1 {

    private SingletonExample1(){}

    private static SingletonExample1 instance = null;

    public static SingletonExample1 getInstance(){
        //多个线程同时调用，可能会创建多个对象
        if (instance == null){
            instance = new SingletonExample1();
        }
        return instance;
    }
}

• 代码二：SingletonExample2

饿汉模式，单例实例在类装载的时候进行创建，是线程安全的

package io.binghe.concurrency.example.singleton;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 饿汉模式，单例实例在类装载的时候进行创建，是线程安全的
 */
public class SingletonExample2 {

    private SingletonExample2(){}

    private static SingletonExample2 instance = new SingletonExample2();

    public static SingletonExample2 getInstance(){
        return instance;
    }
}

• 代码三：SingletonExample3

懒汉模式，单例实例在第一次使用的时候进行创建，这个类是线程安全的，但是这个写法不推荐

package io.binghe.concurrency.example.singleton;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 懒汉模式，单例实例在第一次使用的时候进行创建，这个类是线程安全的，但是这个写法不推荐
 */
public class SingletonExample3 {

    private SingletonExample3(){}

    private static SingletonExample3 instance = null;

    public static synchronized SingletonExample3 getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new SingletonExample3();
        }
        return instance;
    }
}

• 代码四：SingletonExample4

懒汉模式（双重锁同步锁单例模式），单例实例在第一次使用的时候进行创建，但是，这个类不是线程安全的！！！！！

package io.binghe.concurrency.example.singleton;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 懒汉模式（双重锁同步锁单例模式）
 *              单例实例在第一次使用的时候进行创建，这个类不是线程安全的
 */
public class SingletonExample4 {

    private SingletonExample4(){}

    private static SingletonExample4 instance = null;

    //线程不安全
    //当执行instance = new SingletonExample4();这行代码时，CPU会执行如下指令：
    //1.memory = allocate() 分配对象的内存空间
    //2.ctorInstance() 初始化对象
    //3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存
    //单纯执行以上三步没啥问题，但是在多线程情况下，可能会发生指令重排序。
    // 指令重排序对单线程没有影响，单线程下CPU可以按照顺序执行以上三个步骤，但是在多线程下，如果发生了指令重排序，则会打乱上面的三个步骤。

    //如果发生了JVM和CPU优化，发生重排序时，可能会按照下面的顺序执行：
    //1.memory = allocate() 分配对象的内存空间
    //3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存
    //2.ctorInstance() 初始化对象


    //假设目前有两个线程A和B同时执行getInstance()方法，A线程执行到instance = new SingletonExample4(); B线程刚执行到第一个 if (instance == null){处，
    //如果按照1.3.2的顺序，假设线程A执行到3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存，此时，线程B判断instance已经有值，就会直接return instance;
    //而实际上，线程A还未执行2.ctorInstance() 初始化对象，也就是说线程B拿到的instance对象还未进行初始化，这个未初始化的instance对象一旦被线程B使用，就会出现问题。


    public static SingletonExample4 getInstance(){
        if (instance == null){
            synchronized (SingletonExample4.class){
                if(instance == null){
                    instance = new SingletonExample4();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

线程不安全分析如下：

当执行instance = new SingletonExample4();这行代码时，CPU会执行如下指令：

1.memory = allocate() 分配对象的内存空间
2.ctorInstance() 初始化对象
3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存

单纯执行以上三步没啥问题，但是在多线程情况下，可能会发生指令重排序。

指令重排序对单线程没有影响，单线程下CPU可以按照顺序执行以上三个步骤，但是在多线程下，如果发生了指令重排序，则会打乱上面的三个步骤。

如果发生了JVM和CPU优化，发生重排序时，可能会按照下面的顺序执行：

1.memory = allocate() 分配对象的内存空间
3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存
2.ctorInstance() 初始化对象

假设目前有两个线程A和B同时执行getInstance()方法，A线程执行到instance = new SingletonExample4(); B线程刚执行到第一个 if (instance == null){处，如果按照1.3.2的顺序，假设线程A执行到3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存，此时，线程B判断instance已经有值，就会直接return instance;而实际上，线程A还未执行2.ctorInstance() 初始化对象，也就是说线程B拿到的instance对象还未进行初始化，这个未初始化的instance对象一旦被线程B使用，就会出现问题。

• 代码五:SingletonExample5

懒汉模式（双重锁同步锁单例模式）单例实例在第一次使用的时候进行创建，这个类是线程安全的，使用的是 volatile + 双重检测机制来禁止指令重排达到线程安全

package io.binghe.concurrency.example.singleton;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 懒汉模式（双重锁同步锁单例模式）
 *              单例实例在第一次使用的时候进行创建，这个类是线程安全的
 */
public class SingletonExample5 {

    private SingletonExample5(){}

    //单例对象  volatile + 双重检测机制来禁止指令重排
    private volatile static SingletonExample5 instance = null;

    public static SingletonExample5 getInstance(){
        if (instance == null){
            synchronized (SingletonExample5.class){
                if(instance == null){
                    instance = new SingletonExample5();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

• 代码六：SingletonExample6

饿汉模式，单例实例在类装载的时候（使用静态代码块）进行创建，是线程安全的

package io.binghe.concurrency.example.singleton;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 饿汉模式，单例实例在类装载的时候进行创建，是线程安全的
 */
public class SingletonExample6 {

    private SingletonExample6(){}

    private static SingletonExample6 instance = null;

    static {
        instance = new SingletonExample6();
    }

    public static SingletonExample6 getInstance(){
        return instance;
    }
}

• 代码七：SingletonExample7

枚举方式进行实例化，是线程安全的，此种方式也是线程最安全的

package io.binghe.concurrency.example.singleton;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 枚举方式进行实例化，是线程安全的，此种方式也是线程最安全的
 */
public class SingletonExample7 {

    private SingletonExample7(){}

    public static SingletonExample7 getInstance(){
        return Singleton.INSTANCE.getInstance();
    }

    private enum Singleton{
        INSTANCE;
        private SingletonExample7 singleton;

        //JVM保证这个方法绝对只调用一次
        Singleton(){
            singleton = new SingletonExample7();
        }
        public SingletonExample7 getInstance(){
            return singleton;
        }
    }
}

好了，今天的内容就到这儿吧，相信大家对单例设计模式有了全新的认识，我是冰河，我们下期见~~