什么是单例设计模式？ （转）

http://mp.weixin.qq.com/s/1ORmn0hTN5_z9WU2sP7CMw

什么是单例设计模式？
简单来说，就是一个类只能构建一个对象的设计模式。（一个类只有一个实例。即一个类只有一个对象实例）

单例模式第一版（非线程安全）：

public class Singleton {     private static Singleton instance = null;  //（懒汉模式需判空操作）    //或写成 private static Singleton instance = new Singleton(); (饿汉模式）     private Singleton() {}  //私有构造函数    //静态工厂方法    public static Singleton getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new Singleton();        }        return instance;    }}

为什么这样写呢？我们来解释几个关键点：

1.要想让一个类只能构建一个对象，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Singleton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 Singleton()。至于其中的区别后来会做解释。

3.getInstance是获取单例对象的方法。

如果单例初始值是null，还未构建，则构建单例对象并返回。这个写法属于单例模式当中的懒汉模式(被动构建，需要判空操作）。

如果单例对象一开始就被new Singleton()主动构建，则不再需要判空操作，这种写法属于饿汉模式。

这两个名字很形象：饿汉主动找食物吃，懒汉躺在地上等着人喂。

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：

public class SingletonTest {    //私有的实例对象    private static SingletonTest instance;    //私有的构造方法    private SingletonTest(){    }    public static SingletonTest getInstance(){        if(instance == null){    线程A>    instance = new SingletonTest();  <线程B           }        return instance;    }}

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：

单例模式第二版（线程安全）：

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。

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    线程A>   synchronized (Singleton.class){ //同步锁 <线程B           if (instance == null) {     //双重检测机制             instance = new Singleton();               }            }         }        return instance;    }}

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 <线程B           if (instance == null) {     //双重检测机制        线程A>      instance = new Singleton();               }            }         }        return instance;    }}

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 <线程B           if (instance == null) {     //双重检测机制 <线程B             instance = new Singleton();               }            }         }     线程A>    return instance;    }}

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 <线程B             instance = new Singleton();               }            }         }     线程A>    return instance; <线程B    }}

像这样两次判空的机制叫做双重检测机制。
————————————

进一步改进

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false；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true。

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：

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 <线程B      synchronized (Singleton.class){ //同步锁            if (instance == null) {     //双重检测机制 <线程B             instance = new Singleton();               }            }         }       return instance;    }}        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  线程A>  ctorInstance(memory);  //2：初始化对象 

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 <线程B      synchronized (Singleton.class){ //同步锁            if (instance == null) {     //双重检测机制              instance = new Singleton();               }            }         }       return instance;   <线程B (instance 为初始化）    }}        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  线程A>  ctorInstance(memory);  //2：初始化对象 

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。

单例模式第三版：

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 (this){ //同步锁
if (instance == null) { //双重检测机制
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}

The volatile keyword indicates that a value may change between different accesses, it prevents an optimizing compiler from optimizing away subsequent reads or writes and thus incorrectly reusing a stale value or omitting writes.

用最简单的方式理解，volatile 修饰符阻止了变量访问前后的指令重拍，保证了指令的执行顺序

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。

以上的方法还是有漏洞的，如果通过反射的方式，仍然可以构建多个实例对象

几点说明：

1. volatile关键字不但可以防止指令重排，也可以保证线程访问的变量值是主内存中的最新值。有关volatile的详细原理，