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java Singleton 几种方式解析

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概念:

在Java应用程序中,一个类Class只有一个实例存在

运用:

1)系统资源,如文件路径,数据库链接,系统常量等

2)全局状态化类,类似AutomicInteger的使用

优缺点:

1)节省内存有利于垃圾回收

2)只能使用在特定的环境下,受限制于JVM和容器

     单例作用范围的前提是在一个ClassLoad下。所以像分布式应用EJB就要用其它的方式来解决单例问题。

Demo:

分别列出多种实现方式,各分析其优缺点

1)静态成员直接初始化,或者在静态代码块初始化都可以


    class Singleton{  
        private Singleton(){}  
        private static final Singleton singleton = new Singleton();  
        public static Singleton getInstance(){return singleton;}  
    }  
 

      该实现只要在一个ClassLoad下就会提供一个对象的单例。但是美中不足的是,不管该资源是否被请求,它都会创建一个对象,占用jvm内存。从lazy initialization思想出发,出现了下2的写法

2)根据lazy initialization思想,使用到时才初始化。

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

       该实现方法加了同步锁,可以有效防止多线程在执行getInstance方法得到2个对象。

缺点:只有在第一次调用的时候,才会出现生成2个对象,才必须要求同步。而一旦singleton 不为null,系统依旧花费同步锁开销,有点得不偿失。

因此再改进出现写法3

3)在2的基础上改进,改进标准:尽量减少锁资源(主要体现在执行时间,所占内存等)


    class Singleton{  
        private Singleton(){}  
        private static Singleton singleton ;  
        public static Singleton getInstance(){  
            if(singleton==null)//1  
                synchronized(Singleton.class){//2  
                    singleton = new Singleton();//3  
                }  
            return singleton;         
        }     
    }  
 

这种写法减少了锁开销,但是在如下情况,却创建了2个对象:

a:线程1执行到1挂起,线程1认为singleton为null

b:线程2执行到1挂起,线程2认为singleton为null

c:线程1被唤醒执行synchronized块代码,走完创建了一个对象

d:线程2被唤醒执行synchronized块代码,走完创建了另一个对象

所以看出这种写法,并不完美。

4)为了解决3存在的问题,引入双重检查锁定


    public static Singleton getInstance(){  
            if(singleton==null)//1  
                synchronized(Singleton.class){//2  
                    if(singleton==null)//3  
                        singleton = new Singleton();//4  
                }  
            return singleton;         
        }  
 

      在同步锁代码块内部,再判断一次对象是否为null,为null才创建对象。这种写法已经接近完美:

a:线程1执行到1,已经进入synchronized的时候,线程挂起,线程1占有Singleton.class资源锁;

b:线程2执行到1,当它准备synchronized块时,因为Singleton.class被占用,线程2阻塞;

c:线程1被唤醒,判断出对象为null,执行完创建一个对象

d:线程2被唤醒,判断出对象不为null,不执行创建语句

      如此分析,发现似乎没问题。

      但是实际上并不能保证它在单处理器或多处理器上正确运行;

      问题就出现在singleton = new Singleton()这一行代码。它可以简单的分成如下三个步骤:

mem= singleton();//1

instance = mem;//2

ctorSingleton(instance);//3

       这行代码先在内存开辟空间,赋给singleton的引用,然后执行new 初始化数据,但是注意初始化是要消耗时间。如果此时线程3在执行步骤1的时候,发现singleton 为非null,就直接返回,那么线程3返回的其实是一个没构造完成的对象。

      我们期望1,2,3 按照反序执行,但是实际jvm内存模型,并没有明确的有序指定。

      这归咎于java的平台的内存模型允许“无序写入”。

5)在4的基础上引入volatile

代码如下:


 

    class Singleton{  
        private Singleton(){}  
        private static volatile Singleton singleton ;  
        public static Singleton getInstance(){  
            if(singleton==null)//1  
                synchronized(Singleton.class){//2  
                    if(singleton==null)//3  
                        singleton = new Singleton();  
                }  
            return singleton;         
        }     
    }  
 

       Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性,但是不具备原子特性。这就是说线程能够自动发现 volatile 变量的最新值。

而volatile使用时有明确的规定:

  1.       对变量的写操作不依赖于当前值;
  2.       该变量没有包含在具有其他变量的不变式中;

—— 只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile。

但是5的写法,虽然理论上似乎可以解决无序写入问题。实际上并非如此。

(我个人觉得这里对volatile语法说的不够详细,想知道详细的可以看这篇转帖Java 理论与实践: 正确使用 Volatile 变量

小结:

1)使用同步锁方法,内部锁存在不安全。

2)静态成员直接初始化。

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