DP #1 Singleton Pattern线程安全问题

单例模式确保一个类只有一个实例，自行提供这个实例并向整个系统提供这个实例。

其中涉及到最主要的问题就是在多线程并发时线程安全问题。

单例模式的实现也有一个循序渐进的过程：
1.最基本要求：每次从getInstance()都能返回一个且唯一的一个Singleton对象。
2.稍微高一点的要求：能适应多线程并发访问。
3.再提高一点的要求：提高获得Singleton实例的性能。
4.最后一点要求是：实现懒加载（Lazy Load），在需要的时候才被构造。

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1. 单例模式最基本的实现 = 私有构造函数 + 私有静态属性 + 公有静态Getter方法判断实例化

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance = null;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

 

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2. 如果考虑线程并发，最直接的想法就是加线程锁（synchronized）来解决线程同步问题，可以适应多线程并发，但是这里有个很大的性能问题，每一次调用getInstance都会进行同步准备，代价很大，其实我们只有在创建实例的问题上才需要解决线程安全问题。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance = null;

    private Singleton() {}

    public synchronized static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

 

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3. 为了提高性能，我们只希望在第一次创建Instance实例的时候进行同步，使用双重检测加锁（DCL）机制，判断是第一次实例化后锁定对象，然后再synchronized块中再次判断。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance = null;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();  
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

 

DCL的写法来实现单例是很多资料上推荐的写法，实际上是不完全正确的。代码看似没有问题，但是测试中却发现线程大量并发访问时会报NullPointException，调试很久没有结果。

主要原因是因为 uniqueInstance = new Singleton();这句代码并非原子操作，在JVM执行的汇编代码中分为以下几步：
步骤1：给Singleton的实例分配内存空间。
步骤2：初始化Singleton构造器
步骤3：将uniqueInstance指向第一步中分配的内存空间。

步骤2和步骤3在JMM中是无法保证顺序的，所以如果1-3-2的情况发生，将造成RuntimeException：
线程A进入同步块，执行步骤1-3，此时uniqueInstance已经指向了内存空间，但是Singleton还未构造，此时uniqueInstance已经非空，线程B直接return uniqueInstance。

关于添加volatile关键字，jvm虚拟机保证每次uniqueInstance的值都是从主内存中读取，这种方案是可行方案之一。

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4. 重新设计后，我们把初始化实例的事情扔给JVM。因为JVM保证一个类在一个ClassLoader中只会被初始化一次。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

 

这是传说中的【饿汉式单例】，全局的单例在类装载时第一时间被构建并初始化。
优点：速度快，提前创建。
缺点：某些需要配置参数传入getInstance构建的Singleton无法使用

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5. 我们还是回归第一次被使用时创建的懒加载，同样把初始化实例的事情交给JVM，这次我们使用内部私有类来创建实例。

public class Singleton {

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    private static class SingletonHolder { 
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
}

 

这是【懒汉式单例】的一种，SingletonHolder是私有内部类，所以只有getInstance可以访问，读取实例的时候也不会同步，性能上和安全上比较平衡。

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结语：

单例模式的实现方式还有很多，在不同语言不同需求下的实现也有不同的考量和标准，作为一个最简单又最复杂的设计模式，我们应该去尝试每种实现的潜在问题和解决方案，需要更多的理解和尝试。