单例:一个进程中只能存在唯一一个对象。


1.饿汉模式。 主动型太粗暴。


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 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-10 21:25
 * @description:饿汉单例测试
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 * 公众号:叫练
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public class HungerSignletonTest {
    //类初始化会创建单例对象
    private static HungerSignletonTest signleton = new HungerSignletonTest();

    private HungerSignletonTest(){};

    public static HungerSignletonTest getInstance() {
        return signleton;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //三个线程测试单例,打印hashcode是否一致
        new Thread(()->{System.out.println(HungerSignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(HungerSignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(HungerSignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
    }
}

    饿汉模式是主动创建对象,如上面程序代码,JDK1.8环境中主线程启动三个线程获取HungerSignletonTest实例的hashcode是否为同一个对象,测试结果如下图所示,所有的hashcode一致证明程序只有一个实例。饿汉单例在类初始化会提前创建对象。缺点过早的创建对象需要提前消耗内存资源,我们需要在使用单例对象时再去创建。下面我们看看懒汉模式代码。

image.png


2.懒汉模式 线程不安全

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 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-10 21:39
 * @description:懒汉设计模式测试
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
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public class LazySignletonTest {
    private static LazySignletonTest signleton = null;
    private LazySignletonTest(){};

    public static LazySignletonTest getInstance() {
        if (signleton == null) {
            /*try {
                //创建对象睡2秒
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }*/
            signleton = new LazySignletonTest();
        }
        return signleton;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //三个线程测试单例
        new Thread(()->{System.out.println(LazySignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(LazySignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(LazySignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
    }
}

    懒汉模式是需要用到单例才调用getInstance()方法创建对象,看上去没有什么问题,如果放开上面注释语句,在创建对象睡2秒,可能得到的结果如下图所示,三个线程得到的hashcode的值并不一样,说明signleton对象不是单例。在延迟的情况下,所有线程都会进入if条件语句,所以会有如下情况。缺点:非线程安全,我们需要加一把锁。我们将getInstance()方法改造下,public static synchronized LazySignletonTest getInstance(),用synchronized 修饰下,运行程序,三个线程打印hashcode一致。测试一把,大功告成。还没结束呢?你仔细看下synchronized 修饰的是方法,锁力度会比较大,我们只需要在创建实例对象时加锁就可以了,像我们对追求代码优化极致的程序员必须要“扣”到底。下面我们再来看看用synchronized 修饰单例代码块。

image.png

3.懒汉加锁模式  线程还是不安全

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 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-10 21:39
 * @description:懒汉设计模式测试
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
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public class LazySignletonTest {
    private static LazySignletonTest signleton = null;
    private LazySignletonTest(){};

    public static LazySignletonTest getInstance() {
        if (signleton == null) {
            /*try {
                //创建对象睡2秒
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }*/
            synchronized (LazySignletonTest.class) {
                signleton = new LazySignletonTest();
            }
        }
        return signleton;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //三个线程测试单例
        new Thread(()->{System.out.println(LazySignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(LazySignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(LazySignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
    }
}

    单次检测加锁模式第一次判断signleton不为空就加锁创建对象,看上去没有什么问题,如果放开上面代码注释,在创建对象睡2秒,可能得到的结果如下图所示,三个线程得到的hashcode的值并不一样,说明signleton对象不是单例,为什么会这样呢?因为三个线程调用Thread.sleep(2000);会阻塞在创建对象前面,因为三个线程已经判断了signleton等于空,所以都会创建一个新的实例!OK,既然这样,我们就可以在synchronized 同步代码块再加一次判断了,保证万无一失!这是单例双重检测加锁,非常经典的面试题!我们把代码修改成双重检测加锁机制,能万无一失吗?下面我们看代码!事实胜于雄辩!

image.png


4.双重检测加锁 指令重排序

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 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-10 21:39
 * @description:懒汉设计模式测试
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
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public class LazySignletonTest {
    private static LazySignletonTest signleton = null;
    private LazySignletonTest(){};

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

    public static void main(String[] args) {
        //三个线程测试单例
        new Thread(()->{System.out.println(LazySignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(LazySignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(LazySignletonTest.getInstance().hashCode()); }).start();
    }
}

    加锁模式第一次判断signleton不为空就加锁创建对象,经过多次测试,hashcode结果一致说明进程中只有一个对象,看上去没毛病!真是这样吗?接下来我们对上面代码再做一次深入测试

image.png



5.双重检测加锁 volatile必要性

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

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 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-10 21:39
 * @description:没有volatile修饰单例对象测试!
 * @modified By:1.堆分配空间 2.初始化构造函数 3.地址指向
 * 公众号:叫练
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public class VolatileLockTest {
    private static VolatileLockTest signleton = null;
    public int aa;

    private VolatileLockTest(){
        aa = 5;
    };

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

    public static void reset() {
        signleton = null;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //循环三个线程测试单例
        while (true) {
            CountDownLatch start = new CountDownLatch(1);
            CountDownLatch end = new CountDownLatch(100);
            for (int i=0;i<100; i++) {
                Thread thread = new Thread(()->{
                    try {
                        //多线程同时等待
                        start.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //获取单例,如果锁aa等于0相当于是new 指令重排序了;
                    if (VolatileLockTest.getInstance().aa != 5) {
                        System.out.println("线程终止");
                        System.exit(0);
                    }
                    end.countDown();
                });
                thread.start();
            }
            start.countDown();
            end.await();
            reset();
        }
    }
}

    如上代码所示:在主程序中死循环创建多线程并发生成单例对象,定义变量“aa”为了测试new VolatileLockTest();对象是否发生重排,new指令一般在JVM中可以分成3步执行:

  1. 分配空间。堆上开辟空间。
  2. 执行构造函数赋值。调用VolatileLockTest私有构造函数。
  3. 将引用指向对象。将signleton指向新的对象。

jvm为了执行效率,可能将2,3重排,执行顺序可能是1->3->2,当多线程并发,就可能出现“aa”不等于5情况,说明了指令如果发生重排,在多线程情况下导致进程会有多个实例,就不符合单例的情况了,正确的情况是将实例变量用volatile修饰,它能够禁止指令重排,也就说new指令必须按照1->2->3顺序执行,这就是volatile修饰对象变量必要性,详细了解volatile特性,请看文章《volatile,synchronized可见性,有序性,原子性代码证明(基础硬核)》,里面有大量实践代码!


6.静态内部类 被动型创建实例(推荐使用

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 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-11 15:49
 * @description:静态内部类单例模式
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
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public class InnerClassSingleton {
    private InnerClassSingleton(){};

    public static InnerClassSingleton getInstance() {
        return InnerClass.innerClassSingleton;
    }

    private static class InnerClass {
        private static InnerClassSingleton innerClassSingleton = new InnerClassSingleton();
    }

    public static void main(String[] args) {
        //三个线程测试单例
        new Thread(()->{System.out.println(InnerClassSingleton.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(InnerClassSingleton.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(InnerClassSingleton.getInstance().hashCode()); }).start();
    }
}

    静态内部类需要用到单例才调用getInstance()方法创建对象,经过多次测试三个线程得到的hashcode的值是一样,证明signleton对象是单例。代码简单安全是我们推荐使用方案。


7.静态代码块

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 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-11 16:05
 * @description:静态代码块初始单例
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class StaticSingleton {

    private static StaticSingleton staticSingleton;

    //静态代码块初始单例对象.
    static {
        staticSingleton = new StaticSingleton();
    }


    //private构造函数
    private StaticSingleton(){};

    //获取单例静态方法
    public static StaticSingleton getInstance() {
        return staticSingleton;
    }


    public static void main(String[] args) {
        //三个线程测试单例
        new Thread(()->{System.out.println(StaticSingleton.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(StaticSingleton.getInstance().hashCode()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(StaticSingleton.getInstance().hashCode()); }).start();
    }
}

    如上代码所示,静态代码块会在类初始化调用,3个线程同时获取单例对象,反复测试hashcode值始终保持一致,证明了静态代码块可以实现单例。缺点:主动型创建对象,和“饿汉”单例有点类似。



8.枚举

import java.sql.Connection;

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-11 16:39
 * @description:枚举单例
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
enum DatabaseFactory {
    connectionFactory;
    private Connection connection;
    private DatabaseFactory(){
        System.out.println("初始化连接Connection");
        //初始化连接 省略TODO
    }
    public Connection getConnection() {
        return connection;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //三个线程测试单例
        new Thread(()->{System.out.println(DatabaseFactory.connectionFactory.getConnection()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(DatabaseFactory.connectionFactory.getConnection()); }).start();
        new Thread(()->{System.out.println(DatabaseFactory.connectionFactory.getConnection()); }).start();
    }
}

    如上代码所示,和“饿汉”单例类似。初始化枚举会默认加载构造方法


总结


    我们说了7种单例用法,总结写法:

  • 静态私有变量
  • 私有构造方法
  • 公有静态获取单例方法

另外我们比较推荐静态内部类方式实现单例,原因是简单和高效,除此之外,我们重点介绍了双重检测加锁实现单例方式,详细说明了里面的坑,并解释了前因后果。如果对你有帮助请点赞加关注哦。我是叫练【公众号】,边叫边练。


遗留问题:在双重检测加锁 volatile必要性中,经过大量测试,始终没有测试出aa不等于5的情况,大佬请留步!!

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