【转】深入浅出单实例SINGLETON设计模式

单例模式理解起来应该不难，但是如果是在多线程下应该如何安全地实现单例模式呢？，看到一篇挺好的文章，顺手转过来，待日后细细回味。

原文出处：深入浅出单实例SINGLETON设计模式

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Singleton的教学版本

这里，我将直接给出一个Singleton的简单实现，因为我相信你已经有这方面的一些基础了。我们姑且把这个版本叫做1.0版

 

// version 1.0
public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton() {  }
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton== null) {
            singleton= new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

在上面的实例中，我想说明下面几个Singleton的特点：（下面这些东西可能是尽人皆知的，没有什么新鲜的）

1. 私有（private）的构造函数，表明这个类是不可能形成实例了。这主要是怕这个类会有多个实例。
2. 即然这个类是不可能形成实例，那么，我们需要一个静态的方式让其形成实例：getInstance()。注意这个方法是在new自己，因为其可以访问私有的构造函数，所以他是可以保证实例被创建出来的。
3. 在getInstance()中，先做判断是否已形成实例，如果已形成则直接返回，否则创建实例。
4. 所形成的实例保存在自己类中的私有成员中。
5. 我们取实例时，只需要使用Singleton.getInstance()就行了。

当然，如果你觉得知道了上面这些事情后就学成了，那得给你当头棒喝一下了，事情远远没有那么简单。

Singleton的实际版本

上面的这个程序存在比较严重的问题，因为是全局性的实例，所以，在多线程情况下，所有的全局共享的东西都会变得非常的危险，这个也一样，在多线程情况下，如果多个线程同时调用getInstance()的话，那么，可能会有多个进程同时通过 (singleton== null)的条件检查，于是，多个实例就创建出来，并且很可能造成内存泄露问题。嗯，熟悉多线程的你一定会说——“我们需要线程互斥或同步”，没错，我们需要这个事情，于是我们的Singleton升级成1.1版，如下所示：

// version 1.1
public class Singleton
{
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton() {  }
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton== null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                singleton= new Singleton();
            }
        }
        return singleton;
    }
}

嗯，使用了Java的synchronized方法，看起来不错哦。应该没有问题了吧？！错！这还是有问题！为什么呢？前面已经说过，如果有多个线程同时通过(singleton== null)的条件检查（因为他们并行运行），虽然我们的synchronized方法会帮助我们同步所有的线程，让我们并行线程变成串行的一个一个去new，那不还是一样的吗？同样会出现很多实例。嗯，确实如此！看来，还得把那个判断(singleton== null)条件也同步起来。于是，我们的Singleton再次升级成1.2版本，如下所示：

// version 1.2
public class Singleton
{
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton()  {  }
    public static Singleton getInstance()  {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (singleton== null) {
        　　　　singleton= new Singleton();
            }
         }
        return singleton;
    }
}

不错不错，看似很不错了。在多线程下应该没有什么问题了，不是吗？的确是这样的，1.2版的Singleton在多线程下的确没有问题了，因为我们同步了所有的线程。只不过嘛……，什么？！还不行？！是的，还是有点小问题，我们本来只是想让new这个操作并行就可以了，现在，只要是进入getInstance()的线程都得同步啊，注意，创建对象的动作只有一次，后面的动作全是读取那个成员变量，这些读取的动作不需要线程同步啊。这样的作法感觉非常极端啊，为了一个初始化的创建动作，居然让我们达上了所有的读操作，严重影响后续的性能啊！

还得改！嗯，看来，在线程同步前还得加一个(singleton== null)的条件判断，如果对象已经创建了，那么就不需要线程的同步了。OK，下面是1.3版的Singleton。

// version 1.3
public class Singleton
{
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton()  {    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton== null)  {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton== null)  {
                    singleton= new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

感觉代码开始变得有点罗嗦和复杂了，不过，这可能是最不错的一个版本了，这个版本又叫“双重检查”Double-Check。下面是说明：

1. 第一个条件是说，如果实例创建了，那就不需要同步了，直接返回就好了。
2. 不然，我们就开始同步线程。
3. 第二个条件是说，如果被同步的线程中，有一个线程创建了对象，那么别的线程就不用再创建了。

相当不错啊，干得非常漂亮！请大家为我们的1.3版起立鼓掌！

但是，如果你认为这个版本大攻告成，你就错了。

主要在于singleton = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。

1. 给 singleton 分配内存
2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
3. 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了）

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

对此，我们只需要把singleton声明成 volatile 就可以了。下面是1.4版：

// version 1.4
public class Singleton
{
    private volatile static Singleton singleton = null;
    private Singleton()  {    }
    public static Singleton getInstance()   {
        if (singleton== null)  {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton== null)  {
                    singleton= new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

使用 volatile 有两个功用：

1）这个变量不会在多个线程中存在复本，直接从内存读取。

2）这个关键字会禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。

但是，这个事情仅在Java 1.5版后有用，1.5版之前用这个变量也有问题，因为老版本的Java的内存模型是有缺陷的。

原文出处：https://coolshell.cn/articles/265.html