Java单例模式实现及优化

单例模式是设计模式中较为简单的一种,用于生成唯一可访问的对象实例。 单例模式又分为懒汉式和饿汉式,这里分享下两种方式的传统实现及优化后的实现方式。

懒汉式单例:

特点:当需要使用对象的时候才进行实例化,需要考虑线程安全问题(防止并发访问时生成多个实例以及返回null值),因此需加锁,用时间换空间。

传统实现

class Singleton{
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}

    private static Singleton obj;

    // 加锁保证obj只实例化一次,时间换空间
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if (obj == null) {
            obj = new Singleton();
        }
        return obj;
    }
}

优化实现

传统实现方式中,每次获取实例都要被synchronized关键字串行化(即使已经生成了实例)。 而我们加锁的目的是为了防止生成多个实例,因此只需对生成实例的代码加锁,生成实例后,可支持并发访问,提高了性能。 代码如下:

class Singleton {
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}
    // 最后解释volatile关键字
    private volatile static Singleton obj;

    public static Singleton getInstance(){
        // 已有实例则直接返回,不走锁
        if (obj == null) {
            // 仅在没生成实例时加锁控制,使并发访问串行化
            synchronized (Singleton.class) {
                // 多个线程会按序执行到此处,需要再次检查是否已实例化
                if (obj == null) {
                    obj = new Singleton();
                }
            }
        }
        return obj;
    }
}

由于检查了两次对象是否已实例化,该方法又称“双检锁”,能够同时保证性能及线程安全。

饿汉式单例:

特点:类加载时便实例化对象,拿空间换时间

传统实现

class Singleton{
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}
    // 类加载时就实例化对象
    private static Singleton obj = new Singleton();
    
    public static Singleton getInstance(){
        return obj;
    }
}

优化实现

传统实现方式中,由于类加载时就实例化对象,因此当我们调用静态方法时,也会进行实例化,从而导致空间的浪费。 由于静态内部类中的对象不会默认加载,直到调用了该内部类的方法,因此可用静态内部类封装静态实例变量。 代码如下:

class Singleton{
    // 私有构造函数
    private Singleton() {}

    // 静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

推荐这种实现,利用static保证线程安全,利用静态内部类节约了空间,实现lazy-loading。补充对懒汉式单例volatile关键字的解释: 懒汉式单例的实例声明中有voliate关键字,不添加可能出现getInstance为null的情况。 因为new对象不是原子操作,会被编译成如下三条指令: 1. 给实例分配内存 2. 初始化实例的构造 3. 将实际对象指向分配的内存空间(此时实例已经不为空) 正常的思路是123一定按序执行。 但事实时java会进行指令重排序(出自百度:JVM根据处理器的特性,充分利用多级缓存,多核等进行适当的指令重排序,使程序在保证业务运行的同时,充分利用CPU的执行特点,最大的发挥机器的性能)。即JVM执行上面三条指令的时,可能按照132执行。如此当13执行完,2还未执行,如果另外一个线程调用getInstance(),会在第一次判空时返回false(3已执行,对象不为空)然后直接返回实例。但此时2还没执行,实例并未完全初始化,会出现错误(引用逃逸)。注意:final字段不能保证初始化过程中的可见性,也无法禁止指令重排序! voliate关键字可以禁止指令重排序,保证123顺序执行,能够解决问题。   最后补一张spring容器中的单例实现,用局部变量避免指令重排序来提高性能(解释:https://www.jb51.cc/java/438368.html) 借图:

在这里插入图片描述

单例模式还有枚举类实现,以及Spring中的登记式注册表实现,有兴趣的同学可自行搜索,不做展开。

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