设计模式 | 单例模式

写在前面

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。

2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。

3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

ACTION:

先来一个简单的单利模式，（返回一个string对象）了解一下。

StrUtils.javva

public class StrUtils {
    private static String str = null;
    private StrUtils(){}
    //整个对象的 创建 加锁 影响性能
    public static String getInstance(){
        if(str == null){
            System.out.println("getInstance");
            str = new String(UUID.randomUUID().toString());
        }
        return str;
    }

}

在单线程模式下，几乎没问题，放心使用。但是，在多线程环境下就会出现问题，返回的str并不是同一个对象。接下来测试一番。

测试类如下：

Testtt.java

public class Testtt {
    public static void main(String[] args) {

        for(int i=0; i<20; i++ ){
            new Thread(()->System.out.println(StrUtils.getInstance().hashCode())).start();
        }
    }

}

结果如下：

可以看出 返回的确是不是同一个String对象，而且Instance也执行了多次。 这是因为 多线程同时到达 if(str == null)这里面。

所以在多线程给出如下方案s：

方案一：

在 getinstance方法上面添加  synchronized 关键字。如下：

public static synchronized String getInstance(){
        if(str == null){
            System.out.println("getInstance");
            str = new String(UUID.randomUUID().toString());
        }
        return str;
}

可以是可以，但是性能堪忧啊。这样岂不是每次进来都会堵塞，一个优秀的程序员是不允许这种情况的。

方案二：

由于只是初始化一次，所以只在 创建对象的时候进行阻塞即可。

public static  String getInstance(){
        if(str == null){
            // 只在第一次创建的时候加锁，往后不会走这个，JVM离间就一个StrUtils，即str
            synchronized (StrUtils.class){
                System.out.println("getInstance");
                str = new String(UUID.randomUUID().toString());
            }

        }
        return str;
}

似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：

a>A、B线程同时进入了第一个if判断

b>A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行str= new String();

c>由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

d>B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

e>此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

方案三：

private static class StringFactory {
        private static String str = new String(UUID.randomUUID().toString());
}
public static  String getInstance(){
        return StringFactory.str;
}

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。