【多线程学习笔记】单例模式- 延迟加载/懒汉模式的解决方案：DCL双重检测锁 + 单例模式的其他实现方案

精选原创

TvT~ 2023-05-16 16:39:22 博主文章分类：多线程 ©著作权

文章标签 java 延迟加载加载 java代码 文章分类 办公效率

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文章目录

立即加载/“饿汉模式”
延迟加载/“懒汉模式”
延迟加载/“懒汉模式”的解决方案

（1）声明synchronized关键字
（2）尝试同步代码块
（3）针对某些重要的代码进行单独的同步
（4）使用DCL双检查锁机制

使用静态内置类实现单例模式
序列化与反序列化的单例模式实现
使用static代码块实现单例模式

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。而立即加载从中文的语境来看，有“着急”、“急迫”的含义，所以也称为“饿汉模式”。立即加载/“饿汉模式”是在调用方法前，实例已经被创建了，来看一下实现代码。创建类MyObject.java代码如下：

package test;
public class MyObject {
    // 立即加载方式==饿汉模式
    private static MyObject myObject = new MyObject();
    private MyObject(){}
    public static MyObject getInstance() {
        // 此代码版本为立即加载
        // 此版本代码的缺点是不能有其他实例变量
        // 因为getInstance()方法没有同步
        // 所以有可能出现非线程安全问题
        return myObject;
    }

}
创建线程类MyThread.java代码如下：

package extthread;
import test.MyObject;
public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
    }
}

创建运行类Run.java代码如下：

package test.run;
import extthread.MyThread;
public class Run {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        MyThread t2 = new MyThread();
        MyThread t3 = new MyThread();
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }

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。

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，常见的实现办法就是在get（）方法中进行new实例化。而延迟加载从中文的语境来看，是“缓慢”、“不急迫”的含义，所以也称为“懒汉模式”。 1.延迟加载/“懒汉模式”解析延迟加载/“懒汉模式”是在调用方法时实例才被创建。一起来看一下实现代码。创建测试用的项目singleton_1，创建类MyObject.java代码如下：

package test;
public class MyObject {
    private static MyObject myObject;
    private MyObject() {
    }
public static MyObject getInstance() {
        // 延迟加载
        if (myObject != null) {
        } else {
            myObject = new MyObject();
        }
        return myObject;
    }
    }

创建线程类MyThread.java代码如下：

package extthread;
import test.MyObject;
public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
    }
}

创建运行类Run.java代码如下：

package test.run;
import extthread.MyThread;
public class Run {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        t1.start();
             MyThread t2 = new MyThread();
        t2.start();
    }
}

结果：

【多线程学习笔记】单例模式- 延迟加载/懒汉模式的解决方案：DCL双重检测锁 + 单例模式的其他实现方案_java代码

前面两个实验虽然使用“立即加载”和“延迟加载”实现了单例设计模式，但在多线程的环境中，前面“延迟加载”示例中的代码完全就是错误的，根本不能实现保持单例的状态。
来看一下如何在多线程环境中结合“错误的单例模式”创建出“多例”。

package test;
public class MyObject {
    private static MyObject myObject;
    private MyObject() {
    }
    public static MyObject getInstance() {
        try {
if (myObject != null) {
            } else {
                // 模拟在创建对象之前做一些准备性的工作
                Thread.sleep(3000);
                myObject = new MyObject();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return myObject;
    }
    }

创建线程类MyThread.java代码如下：

package extthread;
import test.MyObject;
public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
    }
}

创建运行类Run.java代码如下：

package test.run;
import extthread.MyThread;
public class Run {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        MyThread t2 = new MyThread();
        MyThread t3 = new MyThread();
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }

}

【多线程学习笔记】单例模式- 延迟加载/懒汉模式的解决方案：DCL双重检测锁 + 单例模式的其他实现方案_java_02

延迟加载/“懒汉模式”的解决方案

（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getInstance（）方法声明synchronized关键字即可。

package test;
public class MyObject {
    private static MyObject myObject;
    private MyObject() {
    }
    // 设置同步方法效率太低了
    // 整个方法被上锁
    synchronized public static MyObject getInstance() {
        try {
            if (myObject != null) {
            } else {
                // 模拟在创建对象之前做一些准备性的工作
                Thread.sleep(3000);
                myObject = new MyObject();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return myObject;
    }
}

此方法加入同步synchronized关键字得到相同实例的对象，但此种方法的运行效率非常低下，是同步运行的，下一个线程想要取得对象，则必须等上一个线程释放锁之后，才可以继续执行。

（2）尝试同步代码块

同步方法是对方法的整体进行持锁

public class MyObject {
    private static MyObject myObject;
    private MyObject() {
    }
    public static MyObject getInstance() {
        try {
            // 此种写法等同于：
            // synchronized public static MyObject getInstance()
            // 的写法，效率一样很低，全部代码被上锁
            synchronized (MyObject.class) {
                if (myObject != null) {
                } else {
                    // 模拟在创建对象之前做一些准备性的工作
                    Thread.sleep(3000);
                    myObject = new MyObject();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return myObject;
    }

}

（3）针对某些重要的代码进行单独的同步

同步代码块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提升。修改上面代码：

;public class MyObject {
    private static MyObject myObject;
    private MyObject() {
    }
    public static MyObject getInstance() {
        try {            if (myObject != null) {
            } else {
                // 模拟在创建对象之前做一些准备性的工作
                Thread.sleep(3000);
                // 使用synchronized (MyObject.class)
                // 虽然部分代码被上锁
                // 但还是有非线程安全问题
                synchronized (MyObject.class) {
                    myObject = new MyObject();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return myObject;
    }

此方法使同步synchronized语句块，只对实例化对象的关键代码进行同步，从语句的结构上来讲，运行的效率的确得到了提升但如果是遇到多线程的情况下还是无法解决得到同一个实例对象的结果。
到底如何解决“懒汉模式”遇到多线程的情况呢？
单例类在Java开发者中非常常用，但是它给初级开发者们造成了很多挑战。他们所面对的其中一个关键挑战是，怎样确保单例类的行为是单例？也就是说，无论任何原因，如何防止单例类有多个实例。在整个应用生命周期中，要保证只有一个单例类的实例被创建，双重检查锁（Double checked locking of Singleton）是一种实现方法。

（4）使用DCL双检查锁机制

在最后的步骤中，使用的是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;
    private MyObject() {
    }
    // 使用双检测机制来解决问题，既保证了不需要同步代码的异步执行性
    // 又保证了单例的效果
    public static MyObject getInstance() {
        try {
            if (myObject != null) {
            } else {
                // 模拟在创建对象之前做一些准备性的工作
                Thread.sleep(3000);
                synchronized (MyObject.class) {
                    if (myObject == null) {
                        myObject = new MyObject();
                    }
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return myObject;
    }
    // 此版本的代码称为双重检查Double-Check Locking
}

结果：

【多线程学习笔记】单例模式- 延迟加载/懒汉模式的解决方案：DCL双重检测锁 + 单例模式的其他实现方案_java代码_03

从字节码可以看到创建一个对象实例，可以分为三步：

分配对象内存

调用构造器方法，执行初始化

将对象引用赋值给变量。

虚拟机实际运行时，以上指令可能发生重排序。以上代码 2,3 可能发生重排序，但是并不会重排序 1 的顺序。也就是说 1 这个指令都需要先执行，因为 2,3 指令需要依托 1 指令执行结果。
Java 语言规规定了线程执行程序时需要遵守 intra-thread semantics。**intra-thread semantics ** 保证重排序不会改变单线程内的程序执行结果。这个重排序在没有改变单线程程序的执行结果的前提下，可以提高程序的执行性能。

虽然重排序并不影响单线程内的执行结果，但是在多线程的环境就带来一些问题。

【多线程学习笔记】单例模式- 延迟加载/懒汉模式的解决方案：DCL双重检测锁 + 单例模式的其他实现方案_延迟加载_04

上面错误双重检查锁定的示例代码中，如果线程 1 获取到锁进入创建对象实例，这个时候发生了指令重排序。当线程1 执行到 t3 时刻，线程 2 刚好进入，由于此时对象已经不为 Null，所以线程 2 可以自由访问该对象。然后该对象还未初始化，所以线程 2 访问时将会发生异常。

————————————————

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，使用其他的办法也能达到同样的效果。
创建类MyObject.java代码如下：

public class MyObject {
    // 内部类方式
    private static class MyObjectHandler {
        private static MyObject myObject = new MyObject();
    }
    private MyObject() {
    }
    public static MyObject getInstance() {
        return MyObjectHandler.myObject;
    }
}

线程类：

package extthread;
import test.MyObject;
public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
    }
}

运行类和上面的一样
结果是三个hashcode一样。
为什么静态内部类也是延迟加载：
jvm的类加载机制就是先加载外部类，对于内部类虽然会扫描到但还不会进行加载，只有用到时才会进行加载。

序列化与反序列化的单例模式实现

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。

import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;
public class MyObject implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 888L;
    // 内部类方式
    private static class MyObjectHandler {
        private static final MyObject myObject = new MyObject();
    }
    private MyObject() {
}
    public static MyObject getInstance() {
        return MyObjectHandler.myObject;
    }
    // protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {
    // System.out.println("调用了readResolve方法！");
    // return MyObjectHandler.myObject;
    // }
    }

创建业务类SaveAndRead.java代码如下：

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import test.MyObject;
public class SaveAndRead {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            MyObject myObject = MyObject.getInstance();
            FileOutputStream fosRef = new FileOutputStream(new File(
                    "myObjectFile.txt"));
            ObjectOutputStream oosRef = new ObjectOutputStream(fosRef);
            oosRef.writeObject(myObject);//在这里进行序列化
            oosRef.close();
            fosRef.close();
            System.out.println(myObject.hashCode());
        } catch (FileNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        try {
            FileInputStream fisRef = new FileInputStream(new File(
                    "myObjectFile.txt"));
            ObjectInputStream iosRef = new ObjectInputStream(fisRef);
            MyObject myObject = (MyObject) iosRef.readObject();//进行反序列化
            iosRef.close();
            fisRef.close();
            System.out.println(myObject.hashCode());
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

【多线程学习笔记】单例模式- 延迟加载/懒汉模式的解决方案：DCL双重检测锁 + 单例模式的其他实现方案_加载_05

}解决办法就是在反序列化中使用readResolve（）方法。去掉如下代码的注释：

protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {
    System.out.println("调用了readResolve方法！");
    return MyObjectHandler.myObject;
}

【多线程学习笔记】单例模式- 延迟加载/懒汉模式的解决方案：DCL双重检测锁 + 单例模式的其他实现方案_加载_06

当JVM从内存中反序列化地"组装"一个新对象时,就会自动调用这个 readResolve方法来返回我们指定好的对象了, 单例规则也就得到了保证.

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性来实现单例设计模式。

public class MyObject {
    private static MyObject instance = null;
    private MyObject() {
    }
    static {
        instance = new MyObject();
    }
    public static MyObject getInstance() {
        return instance;
    }
}

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