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【Java】单例模式及指令重排问题

JAVA模式 问题 指令 单例 重排
2023-06-13 09:15:29 时间

1. 单例模式介绍

在Java中单例设计模式准确来说是，类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法。

2. 实现思路

如果我们要让类在一个虚拟机中只能产生一个对象，我们首先必须将类的构造器的访问权限设置为private，这样，就不能用new操作符在类的外部产生类的对象了，但在类内部仍可以产生该类的对象。因为在类的外部开始还无法得到类的对象，只能调用该类的某个静态方法以返回类内部创建的对象，静态方法只能访问类中的静态成员变量，所以，指向类内部产生的该类对象的变量也必须定义成静态的。

3. 饿汉式

class Singleton {
   
    // 1.私有化构造器。
    private Singleton() {
    }

    // 2.内部提供一个当前类的实例。
    // 4.此实例也必须静态化，private才能保证不能被外部类调用，创建对象。
    private static Singleton single = new Singleton();

    // 3.提供公共的静态的方法，返回当前类的对象。声明为public给外部类使用。
    public static Singleton getInstance() {
        return single;
    }
}

4. 懒汉式

class Singleton {
    // 1.私有化构造器。
    private Singleton() {
    }
    
    // 2.内部提供一个当前类的实例。
    // 4.此实例也必须静态化。
    private static Singleton single;
    
    // 3.提供公共的静态的方法，返回当前类的对象。声明为public给外部类使用。
    public static Singleton getInstance() {
        
        if(single == null) {
            single = new Singleton();
        }
        return single;
    }
}

5. 解决懒汉式线程安全问题

同步方法解决：

用同步方法来解决线程安全问题，将方法声明为synchronized 的，因为方法是static的所以，其锁默认为“当前类.class”，仅在加载的时候创建一次，会被缓存起来，因而具有唯一性。

class Singleton {
    // 1.私有化构造器。
    private Singleton() {
    }
    
    // 2.内部提供一个当前类的实例。
    // 4.此实例也必须静态化。
    private static Singleton single;
    
    // 3.提供公共的静态的方法，返回当前类的对象。声明为public给外部类使用。
    public static synchronized Singleton getInstance() { //声明为synchronized 
        
        if(single == null) {
            single = new Singleton();
        }
        return single;
    }
}

同步代码块解决（推荐）：指令重排问题解决

使用当前类作为锁

class Singleton {
    // 1.私有化构造器。
    private Singleton() {
    }
    
    // 2.内部提供一个当前类的实例。
    // 4.此实例也必须静态化。
    private static volatile Singleton single;//声明为volatile解决指令重排
    
    // 3.提供公共的静态的方法，返回当前类的对象。声明为public给外部类使用。
    public static Singleton getInstance() { 
    	if(single == null) {//优化：当第一个线程创建了实例，后边的线程久可以不用走同步代码块
        	synchronized(Singleton.class){// 同步代码块
        		if(single == null) {
           			single = new Singleton();// 还存在指令重排问题（JVM）。在属性处声明为volatile解决。
        		}
    		}
    		return single;
    	}
    }
}
/*
    注意：上述方式2中，有指令重排问题
    mem = allocate(); 为单例对象分配内存空间
    instance = mem;   instance引用现在非空，但还未初始化
    ctorSingleton(instance); 为单例对象通过instance调用构造器
    从JDK2开始，分配空间、初始化、调用构造器会在线程的工作存储区一次性完成，然后复制到主存储区。但是需要   
    volatile关键字，避免指令重排（在成员属性上声明）。
    */

6. 饿汉式 vs 懒汉式

饿汉式：

  • 特点： 立即加载，即随着类的加载而创建（static特点）在使用类的时候已经将对象创建完毕。
  • 优点： 线程安全。
  • 缺点： 当类被加载的时候，会初始化static的实例，静态变量被创建并分配内存空间，从这以后，这个static的实例便一直占着这块内存，直到类被卸载时，静态变量被摧毁，并释放所占有的内存。因此在某些特定条件下会耗费内存。

懒汉式：

  • 特点： 延迟加载，即在调用静态方法时实例才被创建。
  • 优点： 当类被加载的时候，static的实例未被创建并分配内存空间，当静态方法第一次被调用时，初始化实例变量，并分配内存，因此在某些特定条件下会节约内存。
  • 缺点： 在多线程环境中，这种实现方法是完全错误的，线程不安全，根本不能保证单例的唯一性。
    • 因为如果多线程同时调用getInstance()方法，此时single == null都成立，就会创建两个实例对象，违背了单例模式原则。

7. 单例模式的优点及应用场景

由于单例模式只生成一个实例，减少了系统性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决。

应用场景：

  • Windows的Task Manager (任务管理器)就是很典型的单例模式
  • Windows的Recycle Bin (回收站)也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。
  • Application 也是单例的典型应用
  • 应用程序的日志应用，一般都使用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只 能有一个实例去操作，否则内容不好追加。
  • 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。

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