单例模式(懒汉模式)
单例模式是结构最简单的设计模式,用于创建软件系统中独一无二的对象;但如果深入研究,单例模式也是最复杂的设计模式
单例模式(Singleton Pattern):确保某一个类只有一个实例,且自行实例化,并向整个系统提供这个实例。单例模式是一种对象创建型模式
单例模式有两种不同的实现方式,饿汉式单例模式(Eager Singleton)和懒汉式单例模式(Lazy Singleton)
相比于饿汉模式,懒汉模式要复杂的多
本文介绍懒汉式单例模式(Lazy Singleton),代码如下
package com.design.singleton;/*** 懒汉单例模式,线程不安全*/
public class LazySingleton {private static LazySingleton lazySingleton = null;private LazySingleton(){}public static LazySingleton getInstance(){if (lazySingleton == null){lazySingleton = new LazySingleton();}return lazySingleton;}
}
通过代码可以看出,懒汉单例模式在第一次调用 getInstance 方法时,实例化 LazySingleton 对象,在类加载时并不自行实例化,这种技术称为延迟加载技术(Lazy Load),即在需要的时候进行加载实例
仔细推敲上边代码,会发现它存在线程安全问题。即在多线程情况下,当线程1进入 if (lazySingleton == null) 的判断时,lazySingleton 对象还没有创建,因此 lazySingleton 对象为空;此时,线程2也进入 if (lazySingleton == null) 的判断,这时线程1和线程2将创建两个 lazySingleton 对象,这违背了单例模式的初衷 。那么如何解决懒汉模式线程安全的问题,请看下边代码
package com.design.singleton;/*** 懒汉单例模式*/
public class LazySingleton {private static LazySingleton lazySingleton = null;private LazySingleton(){}public synchronized static LazySingleton getInstance(){if (lazySingleton == null){lazySingleton = new LazySingleton();}return lazySingleton;}
}
通过在 getInstance() 方法前加 synchronized 关键字进行线程锁定,来解决多个线程同时访问的线程安全问题。但这种方式仍然不是最好的解决方式,因为每次调用 getInstance() 方法时,都需要进行线程锁定判断,在多线程高并发访问情况下,将会导致系统性能大幅度降低。如何继续改进代码,仔细分析会发现,无须对整个 getInstance() 方法进行锁定,只需要对创建实例的代码lazySingleton = new LazySingleton() 进行锁定即可,改进代码如下
package com.design.singleton;/*** 懒汉单例模式*/
public class LazySingleton {private static LazySingleton lazySingleton = null;private LazySingleton(){}public static LazySingleton getInstance(){if (lazySingleton == null){synchronized (LazySingleton.class){lazySingleton = new LazySingleton();}}return lazySingleton;}
}
看似解决了性能问题,但仔细推敲,会发现上边代码又存在线程安全问题
假设线程1和线程2都在调用 getInstance() 方法,此时 lazySingleton 对象为空,线程1和线程2都能通过 if 判断进入同步代码块,只是线程1进入 synchronized 锁定的代码中执行创建实例的代码时,线程2处于排队等待的状态,当线程1执行完成后,线程2并不知道实例已经创建完成,因此线程2将继续创建新的实例,这时将导致产生两个实例对象,违背了单例模式的设计思想,因此需要进一步改进代码。这时,我们使用双重检查锁定。
双重检查锁定(Double-Check Locking):在 synchronized 锁定的代码中再进行一次 lazySingleton == null 的判断,这样就可保证线程安全
使用双重检查锁定的懒汉单例模式代码如下
package com.design.singleton;/*** 双重检查懒汉单例模式* 保证线程安全*/
public class DoubleCheckLazySingleton {private volatile static DoubleCheckLazySingleton doubleCheckLazySingleton = null;private DoubleCheckLazySingleton(){}public static DoubleCheckLazySingleton getInstance(){if (doubleCheckLazySingleton == null){synchronized (DoubleCheckLazySingleton.class){if (doubleCheckLazySingleton == null){doubleCheckLazySingleton = new DoubleCheckLazySingleton();}}}return doubleCheckLazySingleton;}
}
注意,使用双重检查锁定的懒汉单例类,需要在静态成员变量 doubleCheckLazySingleton 前增加修饰符 volatile,增加 volatile修饰符的作用是保证多个线程都能够正确处理被 volatile 修饰的静态成员变量,即 volatile 禁止指令重排序,且保证了其修饰的静态成员变量 doubleCheckLazySingleton 的内存可见性,从而实现线程安全
双重检查锁定实现的单例模式并不是完美的实现方式,因为 volatile 关键字会屏蔽 java 虚拟机所做的一些优化代码,这可能导致系统运行效率降低。那么有没有更好的方式实现单例模式呢?答案是有的,即在单例类中增加一个静态内部类,并在静态内部类中创建单例对象,再通过静态方法 getInstance() 将单例对象返回给外部
静态内部类实现的单例模式代码如下
package com.design.singleton;/*** 静态内部类实现单例模式*/
public class StaticInnerClassSingleton {private StaticInnerClassSingleton(){}private static class StaticInnerClass{private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton();}public static StaticInnerClassSingleton getInstance(){return StaticInnerClass.staticInnerClassSingleton;}
}
通过代码可以看出,StaticInnerClassSingleton 类在类加载时不会实例化 StaticInnerClassSingleton 对象,而在第一次调用getInstance() 方法时,将加载静态内部类 StaticInnerClass,并初始化静态成员变量 staticInnerClassSingleton,由 java 虚拟机保证其线程安全,使得成员变量 staticInnerClassSingleton 只能初始化一次。且 getInstance() 方法没有线程锁定,因此不会影响性能
通过这种方式实现的懒汉单例模式,既实现了延迟加载,也保证了线程安全,且不影响系统性能
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