Java多线程编程（六）单例模式与多线程

　　在使用多线程技术的单例模式时会出现一些意想不到的情况，这样的代码如果在生产环境中出现异常，有可能造成灾难性的后果。

　　一、立即加载/“饿汉模式”

　　立即加载就是使用类的时候已经将对象创建完毕，常见的实现方法就是直接new实例化。立即加载/“饿汉模式”是在调用方法前，实例已经被创建了。

　　示例：从输出结果可以看出，虽然3个线程同时执行了同一个对象的同一个方法，但是输出的hashCode值是一样的，说明对象是同一个，因为private static MyObject myObject = new MyObject();所以也就实现了立即加载型单例设计模式。

package test;

public class MyObject {

    //立即加载 == 懒汉模式
    private static MyObject myObject = new MyObject();

    private MyObject() {
    }

    public static MyObject getInstance() {
        //缺点是不能有其他实例变量，因为getInstance()方法没有同步，所以有可能出现非线程安全问题。
        return myObject;
    }

}

package extthread;

import test.MyObject;

public class MyThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
    }

}

package test.run;

import extthread.MyThread;

public class Run {

    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        MyThread t2 = new MyThread();
        MyThread t3 = new MyThread();

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }

}

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　　二、延迟加载/“懒汉模式”

　　延迟加载就是在调用get()方法时实例才被创建，常见的办法就是在get()方法中进行new实例化。

　　（1）延迟加载/“懒汉模式”实现

　　示例：由于只有一个线程，所以从结果来看确实取得了一个对象的实例，但是在多线程环境中，就会取出多个实例的情况，这与单例模式的初衷是相违背的。

package test;

public class MyObject {

    private static MyObject myObject;

    private MyObject() {
    }

    public static MyObject getInstance() {
        //延迟加载
        if (myObject != null) {
        } else {
            myObject = new MyObject();
        }
        return myObject;
    }

}

package extthread;

import test.MyObject;

public class MyThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
    }

}

package test.run;

import extthread.MyThread;

public class Run {

    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        t1.start();
    }

}

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 　　（2）延迟加载/“懒汉模式”缺点

　　示例：验证多线程中延迟加载的错误性。从输出可以看出来，3个线程创建了3个不同的实例，这是因为3个线程没有实现同步，即一开始都判断没有实例，所以都创建了实例。

package test;

public class MyObject {

    private static MyObject myObject;

    private MyObject() {
    }

    public static MyObject getInstance() {
        try {
            if (myObject != null) {
            } else {
                //模拟在创建对象前做一些准备工作
                Thread.sleep(3000);
                myObject = new MyObject();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return myObject;
    }

}

package extthread;

import test.MyObject;

public class MyThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
    }

}

package test.run;

import extthread.MyThread;

public class Run {

    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        MyThread t2 = new MyThread();
        MyThread t3 = new MyThread();

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }

}

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 　　（3）延迟加载/“懒汉模式”解决方案

　　①声明synchronized关键字

　　示例：修改getInstance()方法，加上synchronized关键字，既然多个线程可以同时进入getInstance()方法，那么只需要对getInstance()方法声明synchronized关键字即可，这样就可以得到相同实例的对象，但此种方法的运行效率非常低下，是同步运行的，下一个线程想要取得对象，就必须等待上一个线程释放锁之后，才可以继续执行。执行完需要花费9秒的时间。

package test;

public class MyObject {

    private static MyObject myObject;

    private MyObject() {
    }

    synchronized public static MyObject getInstance() {
        try {
            if (myObject != null) {
            } else {
                //模拟在创建对象前做一些准备工作
                Thread.sleep(3000);
                myObject = new MyObject();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return myObject;
    }

}

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 　　②尝试同步代码块

　　示例：之前的加synchronized关键字是对整个方法上锁，这里虽然使用了同步代码块，但是几乎是整个方法里面的代码，虽然可以达到效果，但这对运行效率来说也是不利的。执行总时间也是9秒。

package test;

public class MyObject {

    private static MyObject myObject;

    private MyObject() {
    }

    public static MyObject getInstance() {
        try {
            // 这种方法等同于
            // synchronized public static MyObject getInstance()
            // 效率一样很低，全部代码被上锁。
            synchronized (MyObject.class) {
                if (myObject != null) {
                } else {
                    Thread.sleep(3000);

                    myObject = new MyObject();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return myObject;
    }

}

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 　　③针对某些重要的代码进行单独的同步

　　示例：同步代码块可以针对某些重要的代码进行单独的同步，而其他的代码则不需要同步。这样在运行时，效率完全可以得到大幅提升。虽然不对sleep(3000)上锁这个思路很对，但是还是无法解决问题啊，3个线程还是分别都创建了一个实例。

package test;

public class MyObject {

    private static MyObject myObject;

    private MyObject() {
    }

    public static MyObject getInstance() {
        try {
            if (myObject != null) {
            } else {
                // 模拟在创建对象之前做一些准备性的工作
                Thread.sleep(3000);
                //使用synchronized (MyObject.class)
                //虽然部分代码被上锁
                //但是还是有非线程安全问题
                synchronized (MyObject.class) {
                    myObject = new MyObject();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return myObject;
    }

}

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 　　④使用DCL双检查锁机制

　　示例：采用双重检查锁机制，成功解决了延迟加载遇到多线程的问题。DCL也是大多数多线程结合单例模式使用的解决方案。整个代码执行时间远少于9秒。

package test;

public class MyObject {

    private volatile static MyObject myObject;

    private MyObject() {
    }

    //使用双监测机制来解决问题，既保证了不需要同步代码的异步执行性，有保证了单例的效果
    public static MyObject getInstance() {
        try {
            if (myObject != null) {
            } else {
                //模拟在创建对象之前做的一些准备性的工作
                Thread.sleep(3000);
                synchronized (MyObject.class) {
                    if (myObject == null) {
                        myObject = new MyObject();
                    }
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return myObject;
    }
    //称为Double-Check Locking
}

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　　三、使用静态内置类实现单例模式

　　除了DCL外，其他的方法也能达到同样的效果。

　　示例：通过使用静态内之类的方式也可以实现3个线程只创建一个对象的需求。

package test;

public class MyObject {

    //内部静态类方式
    private static class MyObjectHandler {
        private static MyObject myObject = new MyObject();
    }

    private MyObject() {
    }

    public static MyObject getInstance() {
        return MyObjectHandler.myObject;
    }

}

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　　四、序列化与反序列化的单例模式实现

　　静态内置类可以达到线程安全问题，但如果需要序列化对象时，使用默认的方式运行得到的结果还是多例的。

　　示例1：不使用readResolve()方法时，得到的不是同一个对象。

package test;

import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;

public class MyObject implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 888L;

    //静态内置类方式
    private static class MyObjectHandler {
        private static final MyObject myObject = new MyObject();
    }

    private MyObject() {
    }

    public static MyObject getInstance() {
        return MyObjectHandler.myObject;
    }

//    protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {
//        System.out.println("调用了readResolve方法");
//        return MyObjectHandler.myObject;
//    }

}

package test.run;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;

import test.MyObject;

public class SaveAndRead {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            MyObject myObject = MyObject.getInstance();
            FileOutputStream fosRef = new FileOutputStream(new File("myObjectFile.txt"));
            ObjectOutputStream oosRef = new ObjectOutputStream(fosRef);
            oosRef.writeObject(myObject);
            oosRef.close();
            fosRef.close();
            System.out.println(myObject.hashCode());
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        try {
            FileInputStream fisRef = new FileInputStream(new File("myObjectFile.txt"));
            ObjectInputStream iosRef = new ObjectInputStream(fisRef);
            MyObject myObject = (MyObject) iosRef.readObject();
            iosRef.close();
            fisRef.close();
            System.out.println(myObject.hashCode());
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

}

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 　　示例2：在反序列化中使用readResolve()方法时，就会得到同一个对象。

package test;

import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;

public class MyObject implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 888L;

    //静态内置类方式
    private static class MyObjectHandler {
        private static final MyObject myObject = new MyObject();
    }

    private MyObject() {
    }

    public static MyObject getInstance() {
        return MyObjectHandler.myObject;
    }

    protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        System.out.println("调用了readResolve方法");
        return MyObjectHandler.myObject;
    }

}

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调用了readResolve方法
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　　五、使用static代码块实现单例模式

　　静态代码块中的代码在使用类的时候就已经执行了，所以可以应用静态代码块的这个特性来实现单例设计模式。

　　示例：从输出结果也可以看出，使用静态代码块也可以解决问题。

package test;


public class MyObject {

    private static MyObject instance = null;

    private MyObject() {
    }

    static {
        instance = new MyObject();
    }

    public static MyObject getInstance() {
        return instance;
    }

}

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　　六、使用enum枚举数据类型实现单例模式

　　枚举enum和静态代码块的特性相似，在使用枚举时，构造方法会被自动调用，也可以利用这个特性实现单例设计模式。

　　示例：利用public enum MyObject{}枚举类，可以实现单例设计模式。

package test;

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;

public enum MyObject {
    connectionFactory;

    private Connection connection;

    private MyObject() {
        try {
            System.out.println("调用了MyObject的构造器");
            String url = "jdbc:sqlserver://localhost:1079;databaseName=ghydb";
            String username = "sa";
            String password = "";
            String driverName = "com.microsoft.sqlserver.jdbc.SQLServerDriver";
            Class.forName(driverName);
            connection = DriverManager.getConnection(url, username, password);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public Connection getConnection() {
        return connection;
    }
}

package extthread;

import test.MyObject;

public class MyThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(MyObject.connectionFactory.getConnection()
                    .hashCode());
        }
    }
}

调用了MyObject的构造器
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　　七、完善使用enum枚举实现单例模式

　　示例：六中的示例将枚举类进行曝露，违反了“职责单一原则”，修改MyObject类进行完善。

package test;

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;

public class MyObject {

    public enum MyEnumSingleton {
        connectionFactory;

        private Connection connection;

        private MyEnumSingleton() {
            try {
                System.out.println("创建MyObject对象");
                String url = "jdbc:sqlserver://localhost:1079;databaseName=y2";
                String username = "sa";
                String password = "";
                String driverName = "com.microsoft.sqlserver.jdbc.SQLServerDriver";
                Class.forName(driverName);
                connection = DriverManager.getConnection(url, username,
                        password);
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (SQLException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        public Connection getConnection() {
            return connection;
        }
    }

    public static Connection getConnection() {
        return MyEnumSingleton.connectionFactory.getConnection();
    }

}