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漫画:什么是单例设计模式?

程序员小灰 2017-11-30



漫画:什么是单例设计模式?



—————  第二天  —————



漫画:什么是单例设计模式?



漫画:什么是单例设计模式?



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漫画:什么是单例设计模式?



单例模式第一版:


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) {
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。


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。



漫画:什么是单例设计模式?



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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:



漫画:什么是单例设计模式?


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:



漫画:什么是单例设计模式?



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:


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。



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像这样两次判空的机制叫做双重检测机制。



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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:


漫画:什么是单例设计模式?



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 


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 

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:



漫画:什么是单例设计模式?



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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;
}
}



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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.



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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 


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。



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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,我在以后的漫画中会专门讲解。


2.本漫画纯属娱乐,还请大家尽量珍惜当下的工作,切勿模仿小灰的行为哦。




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