漫画：什么是单例设计模式

转载自永远爱大家的程序员小灰

————— 第二天 —————

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。

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：

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：

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。

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：

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

instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址

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

instance =memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址

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：

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;
     }
 }

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.