單例模式的這些細節你都知道么？
本文轉載自微信公眾號「丙丙」，作者丙丙 。轉載本文請聯系丙丙公眾號。
從去年開始，Java程序員們換工作面試越來越難，不懂多線程，JVM，mysql，以及一些分布式的組件都不好意思出去面試。
也經常聽到身邊的同學說身邊誰面試題目很簡單，自己也會，但是真到自己的時候你能就一個知識點講的很透徹，并且能夠發散思考引出更多的答案嗎?
這道手寫一個單例模式的筆試題，應該很多程序員老鐵都碰到過，剛看到題目的時候可能很驚喜，覺得自己運氣真好，但是你真的能夠100%做好這道題嗎?
請手寫一個單例，要求線程安全。
首先給單例下一個定義：在當前進程中，通過單例模式創建的類有且只有一個實例。
單例有如下幾個特點：
- 在Java應用中，單例模式能保證在一個JVM中，該對象只有一個實例存在
- 構造器必須是私有的，外部類無法通過調用構造器方法創建該實例
- 沒有公開的set方法，外部類無法調用set方法創建該實例
- 提供一個公開的get方法獲取唯一的這個實例
那單例模式有什么好處呢?
某些類創建比較頻繁，對于一些大型的對象，這是一筆很大的系統開銷
省去了new操作符，降低了系統內存的使用頻率，減輕GC壓力
系統中某些類，如spring里的controller，控制著處理流程，如果該類可以創建多個的話，系統完全亂了
好了，單例模式的定義也清楚了，好處也了解了，先看一個餓漢式的寫法
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- /**
- * 私有構造方法，防止被實例化
- */
- private Singleton(){}
- /**
- * 靜態get方法
- */
- public static Singleton getInstance(){
- return instance;
- }
- }
如果面試時提供的是這個答案，那丙丙建議你先回家埋頭苦讀兩個月再出來找工作了，你肯定說這個也太low了，一看就是線程不安全的，方法應該通過synchronized給鎖起來，同時創建前先校驗一下，改造后寫法如下：
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = null;
- /**
- * 私有構造方法，防止被實例化
- */
- private Singleton(){}
- /**
- * 靜態get方法
- */
- public static synchronized Singleton getInstance(){
- if(instance == null){
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
- }
這是一種典型的時間換空間的寫法，不管三七二十一，每次創建實例時先鎖起來，再進行判斷，嚴重降低了系統的處理速度。
有沒有更好的處理方式呢?
有，通過雙檢鎖做兩次判斷，代碼如下：
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = null;
- private Singleton(){}
- public static Singleton getInstance(){
- //先檢查實例是否存在，如果不存在才進入下面的同步塊
- if(instance == null){
- //同步塊，線程安全的創建實例
- synchronized (Singleton.class) {
- //再次檢查實例是否存在，如果不存在才真正的創建實例
- if(instance == null){
- instance = new Singleton();
- }
- }
- }
- return instance;
- }
- }
將synchronized關鍵字加在了內部，也就是說當調用的時候是不需要加鎖的，只有在instance為null，并創建對象的時候才需要加鎖，性能有一定的提升。
但是，這樣就沒有問題了嗎?
看下面的情況：在Java指令中創建對象和賦值操作是分開進行的，也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執行的。
但是JVM并不保證這兩個操作的先后順序，也就是說有可能JVM會為新的Singleton實例分配空間，然后直接賦值給instance成員，然后再去初始化這個Singleton實例。
這樣就可能出錯了，我們以A、B兩個線程為例：
- A、B線程同時進入了第一個if判斷
- A首先進入synchronized塊，由于instance為null，所以它執行instance = new Singleton();
- 由于JVM內部的優化機制，JVM先畫出了一些分配給Singleton實例的空白內存，并賦值給instance成員(注意此時JVM沒有開始初始化這個實例)，然后A離開了synchronized塊。
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- B進入synchronized塊，由于instance此時不是null，因此它馬上離開了synchronized塊并將結果返回給調用該方法的程序。
- 此時B線程打算使用Singleton實例，卻發現它沒有被初始化，于是錯誤發生了。
加上volatile修飾Singleton，再做一次優化：
- public class Singleton {
- private volatile static Singleton instance = null;
- private Singleton(){}
- public static Singleton getInstance(){
- //先檢查實例是否存在，如果不存在才進入下面的同步塊
- if(instance == null){
- //同步塊，線程安全的創建實例
- synchronized (Singleton.class) {
- //再次檢查實例是否存在，如果不存在才真正的創建實例
- if(instance == null){
- instance = new Singleton();
- }
- }
- }
- return instance;
- }
- }
**通過volatile修飾的變量，不會被線程本地緩存，所有線程對該對象的讀寫都會第一時間同步到主內存，從而保證多個線程間該對象的準確性 **
volatile的作用
防止指令重排序，因為instance = new Singleton()不是原子操作
保證內存可見
這個是比較完美的寫法了，這種方式能夠安全的創建唯一的一個實例，又不會對性能有太大的影響。
但是由于volatile關鍵字可能會屏蔽掉虛擬機中一些必要的代碼優化，所以運行效率并不是很高，還有更優的寫法嗎?
通過靜態內部類
- public class Singleton {
- /* 私有構造方法，防止被實例化 */
- private Singleton() {
- }
- /* 此處使用一個內部類來維護單例 */
- private static class SingletonFactory {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- }
- /* 獲取實例 */
- public static Singleton getInstance() {
- return SingletonFactory.instance;
- }
- /* 如果該對象被用于序列化，可以保證對象在序列化前后保持一致 */
- public Object readResolve() {
- return getInstance();
- }
- }
使用內部類來維護單例的實現，JVM內部的機制能夠保證當一個類被加載的時候，這個類的加載過程是線程互斥的。
這樣當我們第一次調用getInstance的時候，JVM能夠幫我們保證instance只被創建一次，并且會保證把賦值給instance的內存初始化完畢， 這樣我們就不用擔心上面的問題。
同時該方法也只會在第一次調用的時候使用互斥機制，這樣就解決了低性能問題。這樣我們暫時總結一個完美的單例模式。
還有更完美的寫法嗎,通過枚舉：
- public enum Singleton {
- /**
- * 定義一個枚舉的元素，它就代表了Singleton的一個實例。
- */
- Instance;
- }
使用枚舉來實現單實例控制會更加簡潔，而且JVM從根本上提供保障，絕對防止多次實例化，是更簡潔、高效、安全的實現單例的方式。
