Java中的23种设计模式之——单例模式（1）

一、什么是单例模式呢？

简单来说单例模式就是一个类只能构建一个对象的设计模式。

二、一个简单的单例模式的代码实现

/**
 * 单例模式
 * @author ouyanxia
 *
 */
public class SingletonE {
    //饿汉式
    private static SingletonE singleton = new SingletonE();
    
    private SingletonE(){}//私有构造函数
    
    static SingletonE getInstance(){
        return singleton;
    }
}
// 懒汉式
class SingletonL {
    private static SingletonL instance = null;
    private SingletonL(){}
    static SingletonL getInstance(){
        if(instance==null){
            instance = new SingletonL();
        }
        return instance;
    }
}

1、想要让一个类只能构造一个对象，自然不能让它随便去做new操作，因此Signleton的构造方法是私有的。

2、instance是Signleton类的静态成员，也是我们的单例对象。它的初始值可以写成Null，也可以写成new Signleton（）。

3、getInstance是获取单例对象的方法。

三、如何实现一个线程安全的单例模式？

为什么说刚才的代码不是线程安全呢？

假设Singleton类刚刚被初始化，instance对象还是空，这时候两个线程同时访问getInstance方法：

因为Instance是空，所以两个线程同时通过了条件判断，开始执行new操作：

这样一来，显然instance被构建了两次。让我们对代码做一下修改：

public class Singleton {
    private Singleton() {}  //私有构造函数
   private static Singleton instance = null;  //单例对象
   //静态工厂方法
   public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {      //双重检测机制
         synchronized (Singleton.class){  //同步锁
           if (instance == null) {     //双重检测机制
             instance = new Singleton();
               }
            }
         }
        return instance;
    }
}

为什么这样写呢？我们来解释几个关键点：

1、为了防止new Singleton被执行多次，因此在new操作之前加上Synchronized 同步锁，锁住整个类（注意，这里不能使用对象锁）。

2、进入Synchronized 临界区以后，还要再做一次判空。因为当两个线程同时访问的时候，线程A构建完对象，线程B也已经通过了最初的判空验证，不做第二次判空的话，线程B还是会再次构建instance对象。

像这样两次判空的机制叫做双重检测机制。

四、完全线程安全单例模式实现

假设这样的场景，当两个线程一先一后访问getInstance方法的时候，当A线程正在构建对象，B线程刚刚进入方法：

这种情况表面看似没什么问题，要么Instance还没被线程A构建，线程B执行 if（instance == null）的时候得到true；要么Instance已经被线程A构建完成，线程B执行 if（instance == null）的时候得到false。

真的如此吗？答案是否定的。这里涉及到了JVM编译器的指令重排。

指令重排是什么意思呢？比如java中简单的一句 instance = new Singleton，会被编译器编译成如下JVM指令：

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指向刚分配的内存地址 

但是这些指令顺序并非一成不变，有可能会经过JVM和CPU的优化，指令重排成下面的顺序：

memory =allocate();    //1：分配对象的内存空间 

instance =memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址 

ctorInstance(memory);  //2：初始化对象 

当线程A执行完1,3,时，instance对象还未完成初始化，但已经不再指向null。此时如果线程B抢占到CPU资源，执行  if（instance == null）的结果会是false，从而返回一个没有初始化完成的instance对象。如下图所示：

如何避免这一情况呢？我们需要在instance对象前面增加一个修饰符volatile。

public class Singleton {
    private Singleton() {}  //私有构造函数
    private volatile static Singleton instance = null;  //单例对象
    //静态工厂方法
    public static Singleton getInstance() {
          if (instance == null) {      //双重检测机制
         synchronized (Singleton.class){  //同步锁
           if (instance == null) {     //双重检测机制
             instance = new Singleton();
                }
             }
          }
          return instance;
      }
}

经过volatile的修饰，当线程A执行instance = new Singleton的时候，JVM执行顺序是什么样？始终保证是下面的顺序：

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指向刚分配的内存地址 

如此在线程B看来，instance对象的引用要么指向null，要么指向一个初始化完毕的Instance，而不会出现某个中间态，保证了安全。