Java五种单例模式与线程安全

懒汉式

顾名思义，lazy loading（延迟加载，一说懒加载），在须要的时候才建立单例对象，而不是随着软件系统的运行或者当类被加载器加载的时候就建立。当单例类的建立或者单例对象的存在会消耗比较多的资源，经常采用lazy loading策略。这样作的一个明显好处是提升了软件系统的效率，节约内存资源。下面咱们看看最简单的懒汉单例模式：

代码1-1

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public class Singleton {     private static Singleton singleton = null;    //私有的、类型为Singleton自身的静态成员变量           //构造方法被设为私有，防止外部使用new来建立对象，破坏单例     private Singleton(){         System.out.println("构造函数被调用");     }           //公有的静态方法，供外部调用来获取单例对象     public static Singleton getInstance(){         if(singleton == null){    //第一次调用该方法时，建立对象。             singleton = new Singleton();         }         return singleton;     } }

 

在单线程环境下，屡次调用getInstance()方法得到的Singleton对象均为同一个对象，单例模式实现成功。然而，在更多时候，软件系统工做于多线程环境下，所以不得不考虑线程安全的问题。

现有多线程测试程序以下：

代码1-2

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public class TestThread {     public static void main(String[] args) {         Runnable run = () -> Singleton.getInstance();    //建立实现了Runnable接口的匿名类           for(int i = 0; i < 50; i++){             Thread thread = new Thread(run);             thread.start();         }     } }

 

代码中先建立了一个实现了Runnable接口的匿名类对象run，而后用for循环建立并启动50个线程，其中一次运行结果以下：

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构造函数被调用 构造函数被调用 构造函数被调用 构造函数被调用

 

 

显然，Singleton的构造方法不止一次被调用，也就是说，Singleton存在四个实例对象，这违背了单例模式的初衷。这个实验说明，简单的懒汉式在多线程环境下不是线程安全的。有人提出在getInstance()方法上同步锁，可是锁住一整个方法可能粒度过大，不利于效率。既然锁方法不太好，那么锁代码呢？下面咱们再看看两个例子：

代码1-3

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public class Singleton {     private static Singleton singleton = null;               private Singleton(){         System.out.println("构造函数被调用");     }           public static Singleton getInstance(){         if(singleton == null){             synchronized(Singleton.class){                 singleton = new Singleton();             }         }         return singleton;     } }

 

代码段1-3的getInstance()方法里，在判空语句后上锁，把singleton = new Singleton()语句锁住了，这样作看似解决了线程安全问题，其实否则。设现有线程A和B，在t1时刻线程A和B均已经过判空语句但都未取得锁资源；t2时刻时，A先取得锁资源进入临界区（被锁的代码块），执行new操做建立实例对象，而后退出临界区，释放锁资源。t3时刻，B取得被A释放的锁资源进入临界区，执行new操做建立实例对象，而后退出临界区，释放锁资源。明显地，Singleton被实例化两次。因此，如代码段1-3这样写也不能保证线程安全。

代码1-4

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public class Singleton {     private static Singleton singleton = null;               private Singleton(){         System.out.println("构造函数被调用");     }           public static Singleton getInstance(){             synchronized(Singleton.class){                 if(singleton == null){                 singleton = new Singleton();             }         }         return singleton;     } }

 

    代码段1-4把代码锁放在了判空语句前，这样作避免了代码段1-3的问题，然而这样作相似于在方法签名上加上synchronized关键字，会影响程序效率。由于当有多个线程几乎同时访问getInstance方法时，多个线程必须有次序地进入方法内，这样致使了若干个线程须要耗费等待进入临界区（被锁住的代码块）的时间。基于此，有人提出了双重校验锁式。

 

 

双重校验锁DCL(double checked locking)

双重校验锁式（也有人把双重校验锁式和懒汉式归为一类）分别在代码锁先后进行判空校验，避免了多个有机会进入临界区的线程都建立对象，同时也避免了代码段1-4后来线程在先来线程建立对象后但仍未退出临界区的状况下等待。双重校验锁代码以下：

代码2-1

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public class Singleton{         private volatile static Singleton singleton = null;    //注意此处加上了volatile关键字           private Singleton(){         System.out.println("构造函数被调用");     }           public static Singleton getInstance(){         if(singleton == null){             synchronized(Singleton.class){                 if(singleton == null){                     singleton = new Singleton();                     //return singleton;    //有人提议在此处进行一次返回                 }                 //return singleton;    //也有人提议在此处进行一次返回             }         }         return singleton;     } }

 

经屡次试验说明，双重校验锁式是线程安全的。然而，在JDK1.5之前，DCL是不稳定的，有时也可能建立多个实例，在1.5之后开始提供volatile关键字修饰变量来达到稳定效果。

 

 

饿汉式

单例模式的饿汉式，在定义自身类型的成员变量时就将其实例化，使得在Singleton单例类被系统（姑且这么说）加载时就已经被实例化出一个单例对象，从而一劳永逸地避免了线程安全的问题。代码以下：

代码3-1

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public class Singleton{         private static Singleton singleton = new Singleton();    //在定义变量时就将其实例化           private Singleton(){         System.out.println("构造函数被调用");     }           public static Singleton getInstance(){         return singleton;     } }

 

使用多线程测试代码1-2进行测试，单例模式成功实现。

我想应该有朋友对饿汉式单例在什么时候被实例化感兴趣。能够编写以下简单测试代码：

代码3-2

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public class TestThread {     public static void main(String[] args) {         Class.forName("Singleton");     } }

 

运行这段代码后能够看到控制台有“构造函数被调用”字符串输出，说明在ClassLoader加载Singleton类时，饿汉式单例就被建立。

虽然饿汉式单例是线程安全的，但也有其不足之处。饿汉式单例在类被加载时就建立单例对象而且长驻内存，无论你需不须要它；若是单例类占用的资源比较多，就会下降资源利用率以及程序的运行效率。有一种更高级的单例模式则很好地解决了这个问题——静态内部类。

 

 

IoDH(Initialization Demand Holder)——经过静态内部类实现线程安全的单例模式

静态内部类式在Singleton类内部定义了一个静态的内部类，在该内部类里建立Singleton的单例对象。咱们先看代码：

代码4-1

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public class Singleton {     private Singleton(){         System.out.println("构造函数被调用");     }           public static Singleton getInstance(){         return SingletonHolder.instance;     }           private static class SingletonHolder{         private static Singleton instance = new Singleton();     } }

 

静态内部类式和饿汉式同样，一样利用了ClassLoader的机制保证了线程安全；不一样的是，饿汉式在Singleton类被加载时（从代码段3-2的Class.forName可见）就建立了一个实例对象，而静态内部类即便Singleton类被加载也不会建立单例对象，除非调用里面的getInstance()方法。由于当Singleton类被加载时，其静态内部类SingletonHolder没有被主动使用。只有当调用getInstance方法时，才会装载SingletonHolder类，从而实例化单例对象。

这样，经过静态内部类的方法就实现了lazy loading，很好地将懒汉式和饿汉式结合起来，既实现延迟加载，保证系统性能，也能保证线程安全。

 

然而，对于上述四种方式的单例模式，若是你的Singleton类实现了Serializable序列化接口，那么可能会被序列化生成多个实例，由于readObject()方法一直返回一个新的对象：

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ByteArrayOutputStream baos  = new ByteArrayOutputStream(); ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos); oos.writeObject(singleton);    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(baos.toByteArray())); Singleton singleton=  (Singleton) ois.readObject();

 

这种状况能够经过在Singleton类添加readResolve()方法来解决：

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private Object readResolve() {         System.out.println("readResolve()被调用");         return getInstance(); }

 

可是这种解决方案虽解决了序列化的问题，可是没法避免被反射。下面还有一种枚举单例，写法简单，还能够避免序列化、反射的问题。

 

 

枚举单例

上面说到的静态内部类方式不失为一个高级的单例模式实现。但若是开发要求更严格一些，好比你的Singleton类实现了序列化，又或者想避免经过反射来破解单例模式的话，单例模式还能够有另外一种形式。那就是枚举单例。枚举类型在JDK1.5被引进。这种方式也是《Effective Java》做者Josh Bloch 提倡的方式，它不只能避免多线程的问题，并且还能防止反序列化从新建立新的对象、防止被反射攻击。代码以下：

代码5-1

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public enum EnumSingleton {     INSTANCE{         @Override         protected void work() {             System.out.println("你好，是我!");         }               };           protected abstract void work();    //单例须要进行操做（也能够不写成抽象方法） }

 

在外部，能够经过EnumSingleton.INSTANCE.work()来调用work方法。默认的枚举实例的建立是线程安全的，可是实例内的各类方法则须要程序员来保证线程安全。总的来讲，使用枚举单例模式，有三个好处：1.实例的建立线程安全，确保单例。2.防止被反射建立多个实例。3.没有序列化的问题。