重识单例模式（双重检查锁定/延迟初始化）

李寻欢_Li
1,532 阅读9分钟

一、什么是单例模式？

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

  • 1、单例类只能有一个实例。
  • 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  • 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

二、介绍

意图： 保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决： 一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用： 当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决： 判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码： 构造函数是私有的。

应用实例：

  • 1、一个班级只有一个班主任。
  • 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
  • 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：

  • 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
  • 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点： 没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：

  • 1、要求生产唯一序列号。
  • 2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
  • 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项： getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

三、几种单例模式

懒汉模式 - 线程不安全：

是否 Lazy 初始化： 是

是否多线程安全： 否

实现难度： 易

描述： 这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

代码实例

public class Singleton { 
    private static Singleton instance; 
    
    //私有化构造方法使其不能new对象
    private Singleton (){}
    
    public static Singleton getInstance() {
        
        if (instance == null) { 
            instance = new Singleton(); 
           } 
         return instance; 
         } 
       }

懒汉模式 - 线程安全:

是否 Lazy 初始化： 是

是否多线程安全： 是

实现难度： 易

描述： 这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

代码实例

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

饿汉模式

是否 Lazy 初始化： 否

是否多线程安全： 是

实现难度： 易

描述： 这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

代码实例

public class Singleton { 
    private static Singleton instance = new Singleton(); 
    
    private Singleton (){} 
    
    public static Singleton getInstance() { 
        return instance; 
        } 
      }

双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本： JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化： 是

是否多线程安全： 是

实现难度： 较复杂

描述： 这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。

代码实例

public class Singleton { 
    private volatile static Singleton singleton; 

    private Singleton (){} 
    
    public static Singleton getSingleton() { 
    
        if (singleton == null) { 
            synchronized (Singleton.class) { 
                if (singleton == null) { 
                    singleton = new Singleton(); 
                    }
                } 
              } 
               return singleton; 
            }
        }

登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化： 是

是否多线程安全： 是

实现难度： 一般

描述： 这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

代码实例

public class Singleton { 
    private static class SingletonHolder { 
    
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    
    } 
    private Singleton (){} 
    
    public static final Singleton getInstance() { 
        return SingletonHolder.INSTANCE; 
        } 
    }

四、双重检查锁定与延迟初始化

在Java多线程程序中,有时候需要采用延迟初始化来降低初始化类和创建对象的开销,双重检查锁定是常见的延迟初始化技术,但它是一种错误的用法。接下来将分析双重检查锁定的错误根源以及线程安全的延迟初始化方案。

1.双重检查锁的由来

在Java程序中,有时候可能需要延迟一些高开销的对象初始化,并且只有在使用这些对象的时候才进行初始化,程序员将采用延迟初始化操作。但是在多线程的下,某些延迟初始化可能会造成线程不安全问题。
比如：我们看看上面懒汉模式-线程不安全的代码

public class Singleton { 
    private static Singleton instance; 
    
    //私有化构造方法使其不能new对象
    private Singleton (){}
    
    public static Singleton getInstance() {
        
        if (instance == null) {   //线程B
            instance = new Singleton(); //线程A 
           } 
         return instance; 
         } 
       }
       
  出现问题:当线程A可能还在初始化对象时（并未初始化完成）,线程B就去比较instance是否为空,此时线程B比较为true
  对象新建,此时线程A和线程B都new了一个Singleton对象,线程不安全

看到这里可能又有大佬要问,那我使用 懒汉模式-线程安全 不就好了吗？的确这种方式可以保证线程安全,但是我认为大家应该都知道 synchronized属于重量级锁 。在早期的JVM中,如果使用synchronized这种重量级锁是非常吃性能的,将会导致程序性能下降,这绝对不是一个优秀的程序员想要看到的。\

因此有大佬就想出来了一个聪明的技巧 : 双重检查锁定。
下面我们来看看双重检查锁定来实现延迟初始化的代码。

    publica class Instance {
        private static Instance instance;
        
        private Instance(){};
        
        public static Instance getInstance() {
            if (instance == null ) {    // 1.这里是第一次检查
                synchronized (Instance.class) { //2.加锁
                    if (instance == null) { //3.这里是第二次检查
                        instance = new Instance(); //4.问题就出现在这里
                    }
                }
            }
        }
    }

如上面的代码所示,如果第一次检查instance不为null,那么就不需要执行下面的加锁和初始化操作,因此能大幅度降低 synchronized带来的性能开销。上面的代码似乎看起来很完美,但是好看的玫瑰都是带刺的,这是一个错误的优化。\

问题的根源

前面的双重检查锁定示例的0（4.问题就出现在这里）创建了一个对象。这行代码可以分解为如下的3行代码。

    memory = allocate() //1.分配对象的内存空间
    ctorInstance(memory) //2.初始化对象
    instance = memory; //3.设置instance指向刚分配好的内存空间地址

上面的三行伪代码中的2和3之间,可能会被重排序(在一些JIT编译器上,这种重排序是真实发生的) 2和3重排序之后执行的时序如下:

    memory = allocate()  //1.分配对象的内存空间
    instance = memory; //3.设置instance指向刚分配好的内存空间地址
    ctorInstance(memory) //2.初始化对象

image.png

多线程执行的时序表

时间线程A线程B
T1A1:分配对象的内存空间
T2A3:设置Instance指向内存空间地址
T3B1：判断instance是否为空
T4B2：由于A1设置了instance指向内存空间地址,所以instance不为空,线程B将访问instance引用的对象
T5A2：初始化对象
T6A4：访问instance引用的对象

这里A2和A3虽然重排序了,但Java内存模型的intra-thread semantics将确保A2一定会排在A4前面执行。因此线程A的intra-thread semantics没有改变,但A2和A3的重排序将导致线程B在B1处判断出instance不为空,线程B接下来访问instance引用对象时,线程B将会访问到一个还未初始化的对象。

知晓了问题发生的根源之后,我们可以想出两个办法来实现线程安全的延迟初始化。 1.不允许2和3重排序 2.允许2和3重排序,但不允许其他线程“看到”这个重排序

2.基于volatile的解决方案

代码如： 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking） 代码实例所示

时序图

image.png 这个方案本质上是通过禁止重排序,来保证线程安全

avatar
文章
阅读
粉丝