JAVA单例（Singleton）实现的几种方式（多线程安全）

smartlion 发布于2019-08-15 17:47 / 1271人阅读

摘要：缺点每次调用都有线程开销延迟初始化单例默认构造方法为，避免用户用构造出新对象获取单例的静态工厂同步方法延迟初始化单例使用同步方法保证多线程操作只实例化一个实力单例模式。

主要分为两种：

直接初始化

延迟初始化

直接初始化 直接初始化final静态成员

线程安全：JVM保证final静态成员只会被初始化一次

公有静态成员是个final域，直接引用成员获取单例

/**
 * 公有静态成员是个final域
 * 直接引用成员获取单例
 */
public class Singleton1 {
    public static final Singleton1 INSTANCE = new Singleton1();

    /**
     * 默认构造方法为private，避免用户用new构造出新对象
     */
    private Singleton1() {}

    public void someMethod() {}

    public static void main(String[] args) {
        Singleton1.INSTANCE.someMethod();
    }
}

公有的成员是个静态工厂方法，通过该方法获取单例。

提供了灵活性，在不改变API的前提下，可以改变该类是否应该为单例的想法。
比如改成为每个调用该方法的线程返回一个唯一的实例(ThreadLocal)

/**
 * 公有的成员是个静态工厂方法，通过该方法获取单例
 */
public class Singleton2 {
    private static final Singleton2 INSTANCE = new Singleton2();
    /**
     * 默认构造方法为private，避免用户用new构造出新对象
     */
    private Singleton2() {}

    /**
     * 获取单例的静态工厂方法
     * @return Singleton2 单例
     */
    public static Singleton2 getInstance() { return INSTANCE; }

    public void someMethod() {}

    public static void main(String[] args) {
        Singleton2.getInstance().someMethod();
    }
}

包含单个元素的枚举类型(enum)

由枚举类型的性质保证枚举常量INSTANCE是唯一实例

/**
 * 一个包含单个元素的枚举类型
 * 枚举类型保证每个枚举常量都是一个单例
 */
public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    public void someMethod() { /** .... */}

    public static void main(String[] args) {
        EnumSingleton.INSTANCE.someMethod();
    }
}

延迟初始化 直接在静态工厂方法上加 synchronized。缺点：每次调用都有线程开销

/**
 * 延迟初始化单例
 */
public class LazyInitSingleton1 {
    private static LazyInitSingleton1 INSTANCE;
    /**
     * 默认构造方法为private，避免用户用new构造出新对象
     */
    private LazyInitSingleton1() {}

    /**
     * 获取单例的静态工厂同步方法
     * 延迟初始化单例
     * 使用同步方法保证多线程操作只实例化一个实力
     * @return LazyInitSingleton1 单例
     */
    public synchronized static LazyInitSingleton1 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new LazyInitSingleton1();
        }

        return INSTANCE;
    }

    public void someMethod() {}

    public static void main(String[] args) {
        Singleton2.getInstance().someMethod();
    }
}

lazy initialization holder class 模式。（参考《Effective Java》第71条：慎用延迟初始化

优点：避免同步方法的开销。
getInstance第一次被调用时，读取SingletonHolder.field，导致SingletonHolder类得到初始化

/**
 * lazy initialization holder class 模式
 * 避免同步方法的开销
 */
public class LazyInitSingleton2 {
    private static class SingletonHolder {
        static final LazyInitSingleton2 field = computeFieldValue();
        private static LazyInitSingleton2 computeFieldValue() {
            return new LazyInitSingleton2();
        }
    }

    private LazyInitSingleton2() {}
    public static LazyInitSingleton2 getInstance() {
        return SingletonHolder.field;
    }
}

双重检测，降低同步方法开销。（参考《Effective Java》第71条：慎用延迟初始化）

INSTANCE 使用 volatile 修饰符：防止JVM的即时编译器对INSTANCE = new LazyInitSingleton3()操作进行指令重排序。

/**
 * 延迟初始化，双重检测，降低同步方法开销
 */
public class LazyInitSingleton3 {
    /**
     * 注意：使用了 volatile 修饰符
     */
    private static volatile LazyInitSingleton3 INSTANCE;
    private LazyInitSingleton3() {}
    public static LazyInitSingleton3 getInstance() {
        // 第一次判断无需同步，如果 INSTANCE 已经被初始化，
        // 就直接返回，没有同步开销
        if (INSTANCE == null) {
            // 如果判断为空（多线程并发执行 getInstance，导致很多线程判断外层INSTANCE == NULL）
            synchronized (LazyInitSingleton3.class) {
                // 进入同步后再判断一次，
                // 保证只有一个线程赋值给 INSTANCE，
                // 后续进来执行的线程都会判断 INSTANCE != NULL，不会再赋值
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new LazyInitSingleton3();
                }
            }
        }

        return INSTANCE;
    }
}

为什么INSTANCE要使用volatile修饰符

在JVM中，new操作做了下面3件事：

给要new的对象LazyInitSingleton3分配内存空间

调用LazyInitSingleton3的构造函数来初始化对象

将INSTANCE指向步骤1中分配的内存空间

由于JVM存在指令重排序的优化，上面第2步和第3步顺序是无法保证的（1-2-3或者1-3-2）。
如果执行步骤是1-3-2，那么假设线程A执行到第3步，但第2步还未执行，此时线程B调用getInstance()发现INSTANCE非空（但未被初始化），直接返回INSTANCE，之后线程B对INSTANCE操作可能会发生错误（由于对象还未被初始化）。
volatile修饰符防止指令重排序的优化，保证执行顺序是1-2-3。

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