单例模式和多线程安全

单例模式分三种：懒汉式单例、饿汉式单例、内部类单例、登记式单例几种。
单例模式有一下特点：
1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
懒汉模式不是线程安全的。
饿汉模式是线程安全的。
内部内模式利用Classloader的特
注册表模式是线程安全的同时又提供运行期指定单例。
饿汉式单例类
public class Singleton       
{       
    private Singleton(){       
           
     }       
      
    private static Singleton instance = new Singleton();       
      
    private static Singleton getInstance(){       
        return instance;       
     }       
}     

  
内部类式单例类
public class Singleton     
{        
        private Singleton(){     
         
     }     
    
    private class SingletonHoledr(){     
        private static Singleton instance = new Singleton();     
     }     
    
    private static Singleton getInstance(){     
        return SingletonHoledr.instance;     
     }     
}  
懒汉式单例类

可以同步但是效率不高：

public class Singleton          
{             
    private Singleton(){          
         
     }          
         
    private static Singleton instance;          
    public static synchronized Singleton getInstance(){          
        if(instance == null){          
            return instance = new Singleton();          
         }else{          
            return instance;          
         }          
     }          
}        

   
这样写程序不会出错，因为整个getInstance是一个整体的"critical section"，但就是效率很不好，因为我们的目的其实只是在第一个初始化instance的时候需要locking(加锁)，而后面取用instance的时候，根本不需要线程同步。
于是聪明的人们想出了下面的做法：

双检锁写法：

public class Singleton{   
   private static Singleton single;     //声明静态的单例对象的变量  
   private Singleton(){}     //私有构造方法   
      
   public static Singleton getSingle(){     //外部通过此方法可以获取对象    
     if(single == null){       
          synchronized (Singleton.class) {    //保证了同一时间只能只能有一个对象访问此同步块         
              if(single == null){        
                  single = new Singleton();             
         }       
       }   
     }     
     return single;    //返回创建好的对象   
   }   
}  

思路很简单，就是我们只需要同步（synchronize）初始化instance的那部分代码从而使代码既正确又很有效率。
这就是所谓的“双检锁”机制（顾名思义）。
很可惜，这样的写法在很多平台和优化编译器上是错误的。

原因在于：instance = new Singleton()这行代码在不同编译器上的行为是无法预知的。一个优化编译器可以合法地如下实现instance = new Singleton():

1. instance = 给新的实体分配内存

2. 调用Singleton的构造函数来初始化instance的成员变量

现在想象一下有线程A和B在调用getInstance，线程A先进入，在执行到步骤1的时候被踢出了cpu。然后线程B进入，B看到的是instance 已经不是null了（内存已经分配），于是它开始放心地使用instance，但这个是错误的，因为在这一时刻，instance的成员变量还都是缺省值，A还没有来得及执行步骤2来完成instance的初始化。

当然编译器也可以这样实现：

1. temp = 分配内存

2. 调用temp的构造函数

3. instance = temp

如果编译器的行为是这样的话我们似乎就没有问题了，但事实却不是那么简单，因为我们无法知道某个编译器具体是怎么做的，因为在Java的memory model里对这个问题没有定义。

双检锁对于基础类型（比如int）适用。很显然吧，因为基础类型没有调用构造函数这一步。

关于单例模式的文章，其实网上早就已经泛滥了。但一个小小的单例，里面却是有着许多的变化。网上的文章大多也是提到了其中的一个或几个点，很少有比较全面且脉络清晰的文章，于是，我便萌生了写这篇文章的念头。企图把这个单例说透，说深入。但愿我不会做的太差。

　　首先来看一个典型的实现：

public class SingletonOne {
 
 
 private static SingletonOne instance = null;
 
 
 private SingletonOne() {
 
 }
 
 public static SingletonOne getInstance() {
 if (instance == null) { // 1
 instance = new SingletonOne(); // 2
 }
 return instance;
 }
}
　　注释中已经有简单的分析了。接下来分析一下关于“非线程安全”的部分。
　　1、当线程A进入到第28行（#1）时，检查instance是否为空，此时是空的。
　　2、此时，线程B也进入到28行（#1）。切换到线程B执行。同样检查instance为空，于是往下执行29行（#2），创建了一个实例。接着返回了。
　　3、在切换回线程A，由于之前检查到instance为空。所以也会执行29行（#2）创建实例。返回。
　　4、至此，已经有两个实例被创建了，这不是我们所希望的。

 怎么解决线程安全问题？

　　方法一：同步方法。即在getInstance()方法上加上synchronized关键字。这时单例变成了　　

使用同步方法的单例
package com.something.singleton;
 

 public class SingletonTwo {
 
 
 private static SingletonTwo instance = null;
 
 
 private SingletonTwo() {
 
 }
 
 
 public static synchronized SingletonTwo getInstance() {
 if (instance == null) { // 1
instance = new SingletonTwo(); // 2
}
 return instance;
 }
 
 }
　　加上synchronized后确实实现了线程的互斥访问getInstance()方法。从而保证了线程安全。但是这样就完美了么？我们看。其实在典型实现里，会导致问题的只是当instance还没有被实例化的时候，多个线程访问#1的代码才会导致问题。而当instance已经实例化完成后。每次调用getInstance()，其实都是直接返回的。即使是多个线程访问，也不会出问题。但给方法加上synchronized后。所有getInstance()的调用都要同步了。其实我们只是在第一次调用的时候要同步。而同步需要消耗性能。这就是问题。

　　方法二：双重检查加锁Double-checked locking。
　　其实经过分析发现，我们只要保证 instance = new SingletonOne(); 是线程互斥访问的就可以保证线程安全了。那把同步方法加以改造，只用synchronized块包裹这一句。就得到了下面的代码：

public static SingletonThree getInstance() {
if (instance == null) { // 1
synchronized (SingletonThree.class) {
instance = new SingletonThree(); // 2
}
}
return instance;
}

 
　　这个方法可行么？分析一下发现是不行的！
　　1、线程A和线程B同时进入//1的位置。这时instance是为空的。
　　2、线程A进入synchronized块，创建实例，线程B等待。
　　3、线程A返回，线程B继续进入synchronized块，创建实例。。。
　　4、这时已经有两个实例创建了。

　　为了解决这个问题。我们需要在//2的之前，再加上一次检查instance是否被实例化。（双重检查加锁）接下来，代码变成了这样：

public static SingletonThree getInstance() {
if (instance == null) { // 1
synchronized (SingletonThree.class) {
if (instance == null) {
instance = new SingletonThree(); // 2
}
}
}
return instance;
 }

 
　　这样，当线程A返回，线程B进入synchronized块后，会先检查一下instance实例是否被创建，这时实例已经被线程A创建过了。所以线程B不会再创建实例，而是直接返回。貌似！到此为止，这个问题已经被我们完美的解决了。遗憾的是，事实完全不是这样！这个方法在单核和多核的cpu下都不能保证很好的工作。导致这个方法失败的原因是当前java平台的内存模型。java平台内存模型中有一个叫“无序写”（out-of-order writes）的机制。正是这个机制导致了双重检查加锁方法的失效。这个问题的关键在上面代码上的第5行：instance = new SingletonThree(); 这行其实做了两个事情：1、调用构造方法，创建了一个实例。2、把这个实例赋值给instance这个实例变量。可问题就是，这两步jvm是不保证顺序的。也就是说。可能在调用构造方法之前，instance已经被设置为非空了。下面我们看一下出问题的过程：
　　1、线程A进入getInstance()方法。
　　2、因为此时instance为空，所以线程A进入synchronized块。
　　3、线程A执行 instance = new SingletonThree(); 把实例变量instance设置成了非空。（注意，实在调用构造方法之前。）
　　4、线程A退出，线程B进入。
　　5、线程B检查instance是否为空，此时不为空（第三步的时候被线程A设置成了非空）。线程B返回instance的引用。（问题出现了，这时instance的引用并不是SingletonThree的实例，因为没有调用构造方法。）
　　6、线程B退出，线程A进入。
　　7、线程A继续调用构造方法，完成instance的初始化，再返回。

　　好吧，继续努力，解决由“无序写”带来的问题。

 public static SingletonThree getInstance() {
 if (instance == null) {
 synchronized (SingletonThree.class) { // 1
 SingletonThree temp = instance; // 2
 if (temp == null) {
  synchronized (SingletonThree.class) { // 3
 temp = new SingletonThree(); // 4
 }
 instance = temp; // 5
 }
 }
 }
 return instance;
 }

 
　　解释一下执行步骤。
　　1、线程A进入getInstance()方法。
　　2、因为instance是空的 ，所以线程A进入位置//1的第一个synchronized块。
　　3、线程A执行位置//2的代码，把instance赋值给本地变量temp。instance为空，所以temp也为空。
　　4、因为temp为空，所以线程A进入位置//3的第二个synchronized块。
　　5、线程A执行位置//4的代码，把temp设置成非空，但还没有调用构造方法！（“无序写”问题）
　　6、线程A阻塞，线程B进入getInstance()方法。
　　7、因为instance为空，所以线程B试图进入第一个synchronized块。但由于线程A已经在里面了。所以无法进入。线程B阻塞。
　　8、线程A激活，继续执行位置//4的代码。调用构造方法。生成实例。
　　9、将temp的实例引用赋值给instance。退出两个synchronized块。返回实例。
　　10、线程B激活，进入第一个synchronized块。
　　11、线程B执行位置//2的代码，把instance实例赋值给temp本地变量。
　　12、线程B判断本地变量temp不为空，所以跳过if块。返回instance实例。

　　好吧，问题终于解决了，线程安全了。但是我们的代码由最初的3行代码变成了现在的一大坨~。于是又有了下面的方法。

　　方法三：预先初始化static变量。

  public class SingletonFour {
 
 
 private static SingletonFour instance = new SingletonFour();
 
 
 private SingletonFour() {
 
 }
 
 
 public static SingletonFour getInstance() {
 return instance;
 }
 
 }
　　看到这个方法，世界又变得清净了。由于java的机制，static的成员变量只在类加载的时候初始化一次，且类加载是线程安全的。所以这个方法实现的单例是线程安全的。但是这个方法却牺牲了Lazy的特性。单例类加载的时候就实例化了。如注释所述：非懒加载，如果构造的单例很大，构造完又迟迟不使用，会导致资源浪费。

　　那到底有没有完美的办法？懒加载，线程安全，代码简单。

　　方法四：使用内部类。

 

public class SingletonFive {

private static class SingletonHolder{

private static SingletonFive instance = new SingletonFive();
}

private SingletonFive() {

}

public static SingletonFive getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
}

}

 

　　解释一下，因为java机制规定，内部类SingletonHolder只有在getInstance()方法第一次调用的时候才会被加载（实现了lazy），而且其加载过程是线程安全的（实现线程安全）。内部类加载的时候实例化一次instance。
 

　　最后，总结一下：
　　1、如果单例对象不大，允许非懒加载，可以使用方法三。
　　2、如果需要懒加载，且允许一部分性能损耗，可以使用方法一。（官方说目前高版本的synchronized已经比较快了）
　　3、如果需要懒加载，且不怕麻烦，可以使用方法二。
　　4、如果需要懒加载，没有且！推荐使用方法四。