一起学设计模式 - 单例模式

单例设计模式（Singleton Pattern）是最简单且常见的设计模式之一，主要作用是提供一个全局访问且只实例化一次的对象，避免多实例对象的情况下引起逻辑性错误（实例化数量可控）...

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概述

Java中，单例模式主要分三种：懒汉式单例、饿汉式单例、登记式单例三种。

• 懒汉：非线程安全，需要用一定的风骚操作控制，装逼失败有可能导致看一周的海绵宝宝
• 饿汉：天生线程安全，ClassLoad的时候就已经实例化好，该操作过于风骚会造成资源浪费
• 单例注册表：Spring初始化Bean的时候，默认单例用的就是该方式

特点

• 私有构造方法，只能有一个实例。
• 私有静态引用指向自己实例，必须是自己在内部创建的唯一实例。
• 单例类给其它对象提供的都是自己创建的唯一实例

案例

• 在计算机系统中，内存、线程、CPU等使用情况都可以再任务管理器中看到，但始终只能打开一个任务管理器，它在Windows操作系统中是具备唯一性的，因为弹多个框多次采集数据浪费性能不说，采集数据存在误差那就有点逗比了不是么...
• 每台电脑只有一个打印机后台处理程序
• 线程池的设计一般也是采用单例模式，方便对池中的线程进行控制

注意事项

• 实现方式种类较多，有的非线程安全方式的创建需要特别注意，且在使用的时候尽量根据场景选取较优的，线程安全了还需要去考虑性能问题。
• 不适用于变化的对象，如果同一类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化，单例就会引起数据的错误，不能保存彼此的状态。
• 没有抽象层，扩展有困难。
• 职责过重，在一定程度上违背了单一职责原则。
• 使用时不能用反射模式创建单例，否则会实例化一个新的对象

解锁姿势

第一种：单一检查（懒汉）非线程安全

public class LazyLoadBalancer {

    private static LazyLoadBalancer loadBalancer;
    private List<String> servers = null;

    private LazyLoadBalancer() {
        servers = new ArrayList<>();
    }

    public void addServer(String server) {
        servers.add(server);
    }

    public String getServer() {
        Random random = new Random();
        int i = random.nextInt(servers.size());
        return servers.get(i);
    }

    public static LazyLoadBalancer getInstance() {
        // 第一步：假设T1,T2两个线程同时进来且满足 loadBalancer == null
        if (loadBalancer == null) {
            // 第二步：那么 loadBalancer 即会被实例化2次
            loadBalancer = new LazyLoadBalancer();
        }
        return loadBalancer;
    }

    public static void main(String[] args) {
        LazyLoadBalancer balancer1 = LazyLoadBalancer.getInstance();
        LazyLoadBalancer balancer2 = LazyLoadBalancer.getInstance();
        System.out.println("hashCode："+balancer1.hashCode());
        System.out.println("hashCode："+balancer2.hashCode());
        balancer1.addServer("Server 1");
        balancer2.addServer("Server 2");
        IntStream.range(0, 5).forEach(i -> System.out.println("转发至：" + balancer1.getServer()));
    }
}

日志

hashCode：460141958
hashCode：460141958
转发至：Server 2
转发至：Server 2
转发至：Server 2
转发至：Server 1
转发至：Server 2

分析： 在单线程环境一切正常，balancer1和balancer2两个对象的hashCode一模一样，由此可以判断出堆栈中只有一份内容，不过该代码块中存在线程安全隐患，因为缺乏竞争条件，多线程环境资源竞争的时候就显得不太乐观了，请看上文代码注释内容

第二种：无脑上锁（懒汉）线程安全，性能较差，第一种升级版

public synchronized static LazyLoadBalancer getInstance() {
    if (loadBalancer == null) {
        loadBalancer = new LazyLoadBalancer();
    }
    return loadBalancer;
}

分析： 毫无疑问，知道synchronized关键字的都知道，同步方法在锁没释放之前，其它线程都在排队候着呢，想不安全都不行啊，但在安全的同时，性能方面就显得短板了，我就初始化一次，你丫的每次来都上个锁，不累的吗（没关系，它是为了第三种做铺垫的）..

第三种：双重检查锁（DCL），完全就是前两种的结合体啊，有木有，只是将同步方法升级成了同步代码块

//划重点了 **volatile**
private volatile static LazyLoadBalancer loadBalancer;

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

1.假设new LazyLoadBalancer()加载内容过多
2.因重排而导致loadBalancer提前不为空
3.正好被其它线程观察到对象非空直接返回使用

mem = allocate();                  //LazyLoadBalancer 分配内存
instance = mem;                     //注意当前实例已经不为空了                      
initByLoadBalancer(instance);      //但是还有其它实例未初始化

存在问题： 首先我们一定要清楚，DCL是不能保证线程安全的，稍微了解过JVM的就清楚，对比C/C++它始终缺少一个正式的内存模型，所以为了提升性能，它还会做一次指令重排操作，这个时候就会导致loadBalancer提前不为空，正好被其它线程观察到对象非空直接返回使用（但实际还有部分内容没加载完成）

解决方案： 用volatile修饰loadBalancer，因为volatile修饰的成员变量可以确保多个线程都能够顺序处理，它会屏蔽JVM指令重排带来的性能优化。

volatile详解：http://blog.battcn.com/2017/10/18/java/thread/thread-volatile/

第四种：Demand Holder （懒汉）线程安全，推荐使用

private LazyLoadBalancer() {}

private static class LoadBalancerHolder {
    //在JVM中 final 对象只会被实例化一次,无法修改
    private final static LazyLoadBalancer INSTANCE = new LazyLoadBalancer();
}

public static LazyLoadBalancer getInstance() {
    return LoadBalancerHolder.INSTANCE;
}

分析： 在Demand Holder中，我们在LazyLoadBalancer里增加一个静态(static)内部类，在该内部类中创建单例对象，再将
该单例对象通过getInstance()方法返回给外部使用，由于静态单例对象没有作为LazyLoadBalancer的成员变量直接实例化，类加载时并不会实例化LoadBalancerHolder，因此既可以实现延迟加载，又可以保证线程安全，不影响系统性能（居家旅行必备良药啊）

第五种：枚举特性（懒汉）线程安全

enum Lazy {
    INSTANCE;
    private LazyLoadBalancer loadBalancer;

    //枚举的特性,在JVM中只会被实例化一次
    Lazy() {
        loadBalancer = new LazyLoadBalancer();
    }

    public LazyLoadBalancer getInstance() {
        return loadBalancer;
    }
}

分析： 相比上一种，该方式同样是用到了JAVA特性：枚举类保证只有一个实例（即使使用反射机制也无法多次实例化一个枚举量）

第六种：饿汉单例（天生线程安全），

public class EagerLoadBalancer {
    private final static EagerLoadBalancer INSTANCE = new EagerLoadBalancer();

    private EagerLoadBalancer() {}

    public static EagerLoadBalancer getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

分析： 利用ClassLoad机制，在加载时进行实例化，同时静态方法只在编译期间执行一次初始化，也就只有一个对象。使用的时候已被初始化完毕可以直接调用，但是相比懒汉模式，它在使用的时候速度最快，但这玩意就像自己挖的坑哭着也得跳，你不用也得初始化一份在内存中占个坑...

- 说点什么

全文代码：https://gitee.com/battcn/design-pattern/tree/master/Chapter2/battcn-singleton

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微信公众号：battcn（欢迎调戏）