Java多线程核心技术(五)单例模式与多线程

本文只需要考虑一件事：如何使单例模式遇到多线程是安全的、正确的

1.立即加载 / "饿汉模式"

什么是立即加载？立即加载就是使用类的时候已经将对象创建完毕，常见的实现办法就是直接 new 实例化。

public class MyObject {    private static MyObject myObject = new MyObject();    public MyObject(){    }    public static MyObject getInstance(){        return myObject;    }    public static void main(String[] args) {        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();    }}

打印结果：

985396398985396398985396398

控制台打印的 hashCode 是同一个值，说明对象是同一个，也就实现了立即加载型单例设计模式。

此版本的缺点是不能有其他其他实例变量，因为getInstance()方法没有同步，所以有可能出现非线程安全问题。

2.延迟加载 / "懒汉模式"

什么是延迟加载？延迟加载就是在调用 get() 方法时实例才被创建，常见的实现方法就是在 get() 方法中进行 new() 实例化。

测试代码：

public class MyObject {    private static MyObject myObject;    public MyObject() {    }    public static MyObject getInstance() {        try {            if (myObject == null) {                //模拟对象在创建之前做的一些准备工作                Thread.sleep(3000);                myObject = new MyObject();            }        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        return myObject;    }    public static void main(String[] args) {        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();    }}

打印结果：

98539639861002518621895028

从运行结果来看，创建了三个对象，并不是真正的单例模式。原因显而易见，3个线程同时进入了if (myObject == null) 判断语句中，最后各自都创建了对象。

3.延迟加载解决方案

3.1 声明synchronized关键字

既然多个线程可以同时进入getInstance() 方法，那么只需要对其进行同步synchronized处理即可。

public class MyObject {    private static MyObject myObject;    public MyObject() {    }    synchronized public static MyObject getInstance() {        try {            if (myObject == null) {                //模拟对象在创建之前做的一些准备工作                Thread.sleep(3000);                myObject = new MyObject();            }        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        return myObject;    }    public static void main(String[] args) {        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();    }}

打印结果：

961745937961745937961745937

虽然运行结果表明，成功实现了单例，但这种给整个方法上锁的解决方法效率太低。

3.2 尝试同步 synchronized 代码块

同步方法是对方法的整体加锁，这对运行效率来讲很不利的。改成同步代码块后：

public class MyObject {    private static MyObject myObject;    public MyObject() {    }    public static MyObject getInstance() {        try {            synchronized (MyObject.class) {                if (myObject == null) {                    //模拟对象在创建之前做的一些准备工作                    Thread.sleep(3000);                    myObject = new MyObject();                }            }        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        return myObject;    }    public static void main(String[] args) {        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();    }}

打印结果：

355159803355159803355159803

运行结果虽然表明是正确的，但同步synchronized语句块依旧把整个 getInstance()方法代码包括在内，和synchronize 同步方法效率是一样低下。

3.3 针对某些重要的代码进行单独同步

所以，我们可以针对某些重要的代码进行单独的同步，而其他的代码则不需要同步。这样在运行时，效率完全可以得到大幅度提升。

public class MyObject {    private static MyObject myObject;    public MyObject() {    }    public static MyObject getInstance() {        try {            if (myObject == null) {                //模拟对象在创建之前做的一些准备工作                Thread.sleep(3000);                synchronized (MyObject.class) {                    myObject = new MyObject();                }            }        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        return myObject;    }    public static void main(String[] args) {        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();    }}

运行结果：

98539639821895028610025186

此方法只对实例化对象的关键代码进行同步，从语句的结构上来说，运行的效率的确得到的提升。但是在多线程的情况下依旧无法解决得到一个单例对象的结果。

3.4 使用DCL双检查锁机制

在最后的步骤中，使用DCL双检查锁机制来实现多线程环境中的延迟加载单例设计模式。

public class MyObject {    private volatile static MyObject myObject;    public MyObject() {    }    public static MyObject getInstance() {        try {            if (myObject == null) {                //模拟对象在创建之前做的一些准备工作                Thread.sleep(3000);                synchronized (MyObject.class) {                    if (myObject == null) {                        myObject = new MyObject();                    }                }            }        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        return myObject;    }    public static void main(String[] args) {        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();    }}

运行结果：

860826410860826410860826410

使用DCL双重检查锁功能，成功地解决了“懒汉模式”遇到多线程的问题。DCL也是大多数多线程结合单例模式使用的解决方案。

4.使用静态内置类实现单例模式

DCL可以解决多线程单例模式的非线程安全问题。当然，还有许多其它的方法也能达到同样的效果。

public class MyObject {    public static class  MyObjectHandle{        private static MyObject myObject = new MyObject();        public static MyObject getInstance() {            return myObject;        }    }    public static MyObject getInstance(){        return MyObjectHandle.getInstance();    }    public static void main(String[] args) {        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();    }}

打印结果：

103505773910350577391035057739

静态内置类可以达到线程安全问题，但如果遇到序列化对象时，使用默认的方式运行得到的结果还是多例的。

解决方法就是在反序列化中使用readResolve()方法：

public class MyObject implements Serializable {    //静态内部类    public static class  MyObjectHandle{        private static final MyObject myObject = new MyObject();    }    public static MyObject getInstance(){        return MyObjectHandle.myObject;    }    protected Object readResolve(){        System.out.println("调用了readResolve方法");        return MyObjectHandle.myObject;    }    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {        MyObject myObject = MyObject.getInstance();        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(new File("myObject.txt"));        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(outputStream);        objectOutputStream.writeObject(myObject);        objectOutputStream.close();        System.out.println(myObject.hashCode());        FileInputStream inputStream =  new FileInputStream(new File("myObject.txt"));        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(inputStream);        MyObject object = (MyObject) objectInputStream.readObject();        objectInputStream.close();        System.out.println(object.hashCode());    }}

运行结果：

621009875调用了readResolve方法621009875

5.使用static代码块实现单例模式

静态代码块中的代码在使用类的时候就已经执行了，所以可以应用静态代码块的这个特点来实现单例设计模式。

public class MyObject {    private static MyObject myObject = null;    static {        myObject = new MyObject();    }    public static MyObject getInstance(){        return myObject;    }    public static void main(String[] args){        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();    }}

运行结果：

355159803355159803355159803

6.使用enum枚举数据类型实现单例模式

枚举enum 和静态代码块的特性相似，在使用枚举类时，构造方法会被自动调用，也可以应用其这个特性实现单例设计模式。

public enum Singleton {    INSTANCE;    private MyObject myObject = null;    Singleton() {        myObject = new MyObject();    }    public MyObject getInstance(){        return myObject;    }    public static void main(String[] args){        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(Singleton.INSTANCE.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(Singleton.INSTANCE.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(Singleton.INSTANCE.getInstance().hashCode());            }        }).start();    }}

运行结果：

151613398715161339871516133987

这样实现的一个弊端就是违反了“职责单一原则”，完善后的代码如下：

public class MyObject {    public enum Singleton {        INSTANCE;        private MyObject myObject = null;        Singleton() {            myObject = new MyObject();        }        public MyObject getInstance() {            return myObject;        }    }    public static MyObject getInstance(){        return Singleton.INSTANCE.getInstance();    }    public static void main(String[] args){        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());            }        }).start();    }}

运行结果：