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《Java 极简设计模式》第 01 章:单例模式(Singleton)

作者:冰河
  • 2023-08-14
    四川
  • 本文字数:3777 字

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《Java极简设计模式》第01章:单例模式(Singleton)

作者:冰河

星球:http://m6z.cn/6aeFbs

博客:https://binghe.gitcode.host

文章汇总:https://binghe.gitcode.host/md/all/all.html

源码地址:https://github.com/binghe001/java-simple-design-patterns/tree/master/java-simple-design-singleton


沉淀,成长,突破,帮助他人,成就自我。


  • 本章难度:★★☆☆☆

  • 本章重点:介绍创建 Java 单例对象的七种方式,重点掌握哪些创建方式是线程安全的,哪些方式是线程不安全的,并能够在实际项目中灵活运用设计模式,编写可维护的代码。


大家好,我是冰河~~


今天给大家介绍《Java 极简设计模式》的第 01 章,单例设计模式(Singleton),用最短的篇幅讲述设计模式最核心的知识,好了,开始今天的内容。

单例设计模式

看几个单例对象的示例代码,其中有些代码是线程安全的,有些则不是线程安全的,需要大家细细品味,这些代码也是冰河本人在高并发环境下测试验证过的。


  • 代码一:SingletonExample1


这个类是懒汉模式,并且是线程不安全的


package io.binghe.concurrency.example.singleton;/** * @author binghe * @version 1.0.0 * @description 懒汉模式,单例实例在第一次使用的时候进行创建,这个类是线程不安全的 */public class SingletonExample1 {
private SingletonExample1(){}
private static SingletonExample1 instance = null;
public static SingletonExample1 getInstance(){ //多个线程同时调用,可能会创建多个对象 if (instance == null){ instance = new SingletonExample1(); } return instance; }}
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  • 代码二:SingletonExample2


饿汉模式,单例实例在类装载的时候进行创建,是线程安全的


package io.binghe.concurrency.example.singleton;/** * @author binghe * @version 1.0.0 * @description 饿汉模式,单例实例在类装载的时候进行创建,是线程安全的 */public class SingletonExample2 {
private SingletonExample2(){}
private static SingletonExample2 instance = new SingletonExample2();
public static SingletonExample2 getInstance(){ return instance; }}
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  • 代码三:SingletonExample3


懒汉模式,单例实例在第一次使用的时候进行创建,这个类是线程安全的,但是这个写法不推荐


package io.binghe.concurrency.example.singleton;/** * @author binghe * @version 1.0.0 * @description 懒汉模式,单例实例在第一次使用的时候进行创建,这个类是线程安全的,但是这个写法不推荐 */public class SingletonExample3 {
private SingletonExample3(){}
private static SingletonExample3 instance = null;
public static synchronized SingletonExample3 getInstance(){ if (instance == null){ instance = new SingletonExample3(); } return instance; }}
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  • 代码四:SingletonExample4


懒汉模式(双重锁同步锁单例模式),单例实例在第一次使用的时候进行创建,但是,这个类不是线程安全的!!!!!


package io.binghe.concurrency.example.singleton;/** * @author binghe * @version 1.0.0 * @description 懒汉模式(双重锁同步锁单例模式) *              单例实例在第一次使用的时候进行创建,这个类不是线程安全的 */public class SingletonExample4 {
private SingletonExample4(){}
private static SingletonExample4 instance = null;
//线程不安全 //当执行instance = new SingletonExample4();这行代码时,CPU会执行如下指令: //1.memory = allocate() 分配对象的内存空间 //2.ctorInstance() 初始化对象 //3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存 //单纯执行以上三步没啥问题,但是在多线程情况下,可能会发生指令重排序。 // 指令重排序对单线程没有影响,单线程下CPU可以按照顺序执行以上三个步骤,但是在多线程下,如果发生了指令重排序,则会打乱上面的三个步骤。
//如果发生了JVM和CPU优化,发生重排序时,可能会按照下面的顺序执行: //1.memory = allocate() 分配对象的内存空间 //3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存 //2.ctorInstance() 初始化对象

//假设目前有两个线程A和B同时执行getInstance()方法,A线程执行到instance = new SingletonExample4(); B线程刚执行到第一个 if (instance == null){处, //如果按照1.3.2的顺序,假设线程A执行到3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存,此时,线程B判断instance已经有值,就会直接return instance; //而实际上,线程A还未执行2.ctorInstance() 初始化对象,也就是说线程B拿到的instance对象还未进行初始化,这个未初始化的instance对象一旦被线程B使用,就会出现问题。

public static SingletonExample4 getInstance(){ if (instance == null){ synchronized (SingletonExample4.class){ if(instance == null){ instance = new SingletonExample4(); } } } return instance; }}
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线程不安全分析如下:


当执行 instance = new SingletonExample4();这行代码时,CPU 会执行如下指令:


1.memory = allocate() 分配对象的内存空间 2.ctorInstance() 初始化对象 3.instance = memory 设置 instance 指向刚分配的内存


单纯执行以上三步没啥问题,但是在多线程情况下,可能会发生指令重排序。


指令重排序对单线程没有影响,单线程下 CPU 可以按照顺序执行以上三个步骤,但是在多线程下,如果发生了指令重排序,则会打乱上面的三个步骤。


如果发生了 JVM 和 CPU 优化,发生重排序时,可能会按照下面的顺序执行:


1.memory = allocate() 分配对象的内存空间 3.instance = memory 设置 instance 指向刚分配的内存 2.ctorInstance() 初始化对象


假设目前有两个线程 A 和 B 同时执行 getInstance()方法,A 线程执行到 instance = new SingletonExample4(); B 线程刚执行到第一个 if (instance == null){处,如果按照 1.3.2 的顺序,假设线程 A 执行到 3.instance = memory 设置 instance 指向刚分配的内存,此时,线程 B 判断 instance 已经有值,就会直接 return instance;而实际上,线程 A 还未执行 2.ctorInstance() 初始化对象,也就是说线程 B 拿到的 instance 对象还未进行初始化,这个未初始化的 instance 对象一旦被线程 B 使用,就会出现问题。


  • 代码五:SingletonExample5


懒汉模式(双重锁同步锁单例模式)单例实例在第一次使用的时候进行创建,这个类是线程安全的,使用的是 volatile + 双重检测机制来禁止指令重排达到线程安全


package io.binghe.concurrency.example.singleton;/** * @author binghe * @version 1.0.0 * @description 懒汉模式(双重锁同步锁单例模式) *              单例实例在第一次使用的时候进行创建,这个类是线程安全的 */public class SingletonExample5 {
private SingletonExample5(){}
//单例对象 volatile + 双重检测机制来禁止指令重排 private volatile static SingletonExample5 instance = null;
public static SingletonExample5 getInstance(){ if (instance == null){ synchronized (SingletonExample5.class){ if(instance == null){ instance = new SingletonExample5(); } } } return instance; }}
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  • 代码六:SingletonExample6


饿汉模式,单例实例在类装载的时候(使用静态代码块)进行创建,是线程安全的


package io.binghe.concurrency.example.singleton;/** * @author binghe * @version 1.0.0 * @description 饿汉模式,单例实例在类装载的时候进行创建,是线程安全的 */public class SingletonExample6 {
private SingletonExample6(){}
private static SingletonExample6 instance = null;
static { instance = new SingletonExample6(); }
public static SingletonExample6 getInstance(){ return instance; }}
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  • 代码七:SingletonExample7


枚举方式进行实例化,是线程安全的,此种方式也是线程最安全的


package io.binghe.concurrency.example.singleton;/** * @author binghe * @version 1.0.0 * @description 枚举方式进行实例化,是线程安全的,此种方式也是线程最安全的 */public class SingletonExample7 {
private SingletonExample7(){}
public static SingletonExample7 getInstance(){ return Singleton.INSTANCE.getInstance(); }
private enum Singleton{ INSTANCE; private SingletonExample7 singleton;
//JVM保证这个方法绝对只调用一次 Singleton(){ singleton = new SingletonExample7(); } public SingletonExample7 getInstance(){ return singleton; } }}
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好了,今天的内容就到这儿吧,相信大家对单例设计模式有了全新的认识,我是冰河,我们下期见~~

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公众号:冰河技术,专注写硬核技术专栏。 2020-05-29 加入

互联网资深技术专家,TVP腾讯云最具价值专家,《深入理解高并发编程》《深入理解分布式事务》《海量数据处理与大数据技术实战》《MySQL技术大全》系列图书作者,mykit-data框架作者。【冰河技术】作者。

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