面试官：给我写一个线程安全的恶汉单例

vlambda
2020-06-12

面试官：给我写一个线程安全的恶汉单例

及时获取有趣有料的技术文章

前言

网上说单例模式是所有模式中最简单的一种模式，巧的是我也这么认为。不过越简单的东西，往往坑就隐藏的越深，这边文章我会把我知道的几个坑所出来。

一.什么是单例模式

就如同他的名字一样，'单例'-就是只有一个实例。也就是说一个类在全局中最多只有一个实例存在，不能在多了，在多就不叫单例模式了。

1.白话小故事

程序员小H单身已久，每天不是对着电脑，就是抱着手机这样来维持生活。某日，坐在电脑前，突然感觉一切都索然无味。谋生想找一个对象来一起度过人生美好的每一天。

于是精心打扮出门找对象，由于小H很帅，很快就找到了心仪的另一半--小K。小H的心中永远只有小K一个人，而且发誓永远不会在找新对象。

小H和小K的关系就是单例模式，在小H的全局中只有一个小K对象，且无第二个，如果有第二个的话，他们之间的关系就出问题了。哈哈

2.用在哪里

单例模式一般用在对实例数量有严格要求的地方，比如数据池，线程池，缓存，session回话等等。

3.在Java中构成的条件

静态变量
静态方法
私有构造器

二.单例模式的两种形态

1.懒汉模式

线程不安全

public class Singleton {

    private static Singleton unsingleton;

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        if(unsingleton==null){
            unsingleton=new Singleton();
        }
        return unsingleton;
    }
}

2.饿汉模式

线程安全

public class Singleton {

    private static Singleton unsingleton=new Singleton();

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        return unsingleton;
    }
}

调用

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1=Singleton.getInstance();
    }
}

三.懒汉模式优化成线程安全

懒汉模式要变成线程安全的除了用饿汉模式之外，还有两种方法。

1.加synchronized关键字

此方法是最简单又有效的方法，不过对性能上会有所损失。比如两个线程同时调用这个实例，其中一个线程要等另一个线程调用完才可以继续调用。而线程不安全往往发生在这个实例在第一次调用的时候发生，当实例被调用一次后，线程是安全的，所以加synchronized就显得有些浪费性能。

public class Singleton {

    private static Singleton unsingleton;

    private Singleton(){}

    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(unsingleton==null){
            unsingleton=new Singleton();
        }
        return unsingleton;
    }
}

2.用"双重检查加锁"

上个方法说到，线程不安全往往发生在这个实例在第一次调用的时候发生，当实例被调用一次后，线程是安全的。那有没有方法只有在第一次调用的时候才用synchronized关键字，而第一次后就不用synchronized关键字呢？答案是当然有的，就是用volatile来修饰静态变量，保持其可见性。

public class Singleton {

    private static volatile Singleton unsingleton;

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        if(unsingleton==null){
            //只有当第一次访问的时候才会使用synchronized关键字
            synchronized (Singleton.class){
                unsingleton=new Singleton();
            }
        }
        return unsingleton;
    }
}

3. 用"静态内部类"

静态内部类的优点是：外部类加载时并不需要立即加载内部类，内部类不被加载则不去初始化INSTANCE，故而不占内存。即当SingleTon第一次被加载时，并不需要去加载SingleTonHoler，只有当getInstance()方法第一次被调用时，才会去初始化INSTANCE,第一次调用getInstance()方法会导致虚拟机加载SingleTonHoler类，这种方法不仅能确保线程安全，也能保证单例的唯一性，同时也延迟了单例的实例化。

public class Singleton {
    private Singleton() {
      }

      private static Singleton instatnce;

      private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instatnce = new Singleton();
      }

      public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instatnce;
      }
	}

那么，静态内部类又是如何实现线程安全的呢？首先，我们先了解下类的加载时机。

类加载时机：JAVA虚拟机在有且仅有的5种场景下会对类进行初始化。

遇到new、getstatic、setstatic或者invokestatic这4个字节码指令时，对应的java代码场景为：new一个关键字或者一个实例化对象时、读取或设置一个静态字段时(final修饰、已在编译期把结果放入常量池的除外)、调用一个类的静态方法时。
使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没进行初始化，需要先调用其初始化方法进行初始化。
当初始化一个类时，如果其父类还未进行初始化，会先触发其父类的初始化。
当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的类)，虚拟机会先初始化这个类。
当使用JDK 1.7等动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

这5种情况被称为是类的主动引用，注意，这里《虚拟机规范》中使用的限定词是"有且仅有"，那么，除此之外的所有引用类都不会对类进行初始化，称为被动引用。静态内部类就属于被动引用的行列。

我们再回头看下getInstance()方法，调用的是SingleTonHoler.INSTANCE，取的是SingleTonHoler里的INSTANCE对象，跟上面那个DCL方法不同的是，getInstance()方法并没有多次去new对象，故不管多少个线程去调用getInstance()方法，取的都是同一个INSTANCE对象，而不用去重新创建。当getInstance()方法被调用时，SingleTonHoler才在SingleTon的运行时常量池里，把符号引用替换为直接引用，这时静态对象INSTANCE也真正被创建，然后再被getInstance()方法返回出去，这点同饿汉模式。那么INSTANCE在创建过程中又是如何保证线程安全的呢？在《深入理解JAVA虚拟机》中，有这么一句话:

虚拟机会保证一个类的 ()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的 ()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行 ()方法完毕。如果在一个类的 ()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞(需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行 ()方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入 ()方法。同一个加载器下，一个类型只会初始化一次。)，在实际应用中，这种阻塞往往是很隐蔽的。

故而，可以看出INSTANCE在创建过程中是线程安全的，所以说静态内部类形式的单例可保证线程安全，也能保证单例的唯一性，同时也延迟了单例的实例化。

那么，是不是可以说静态内部类单例就是最完美的单例模式了呢？其实不然，静态内部类也有着一个致命的缺点，就是传参的问题，由于是静态内部类的形式去创建单例的，故外部无法传递参数进去，例如Context这种参数，所以，我们创建单例时，可以在静态内部类与DCL模式里自己斟酌。

四种线程安全的单例模式比较

饿汉模式：性能好，写法简单，个人比较推荐用这个
加synchronized关键字：性能差，不过对懒汉模式的盖章比较直接有效。
volatile-双重验证加锁：性能好，对Java版本有要求，要求Java5以上版本
静态内部类：性能好，无需加锁，由JVM类加载保证。

如果资源对你有帮助的话

vlambda博客
学习文章列表