单例模式与线程安全

概念：

　　java中单例模式是一种常见的设计模式，单例模式分三种：懒汉式单例、饿汉式单例、登记式单例三种。
　　单例模式有一下特点：
　　1、单例类只能有一个实例。
　　2、单例类必须自己自己创建自己的唯一实例。
　　3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
　　单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。

案例：

首先看一个经典的单例实现。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance = null;

    private Singleton() {
       // Exists only to defeat instantiation.
    }

    public static Singleton getInstance() {
       if (uniqueInstance == null) {
           uniqueInstance = new Singleton();
       }
       return uniqueInstance;
    }
    // Other methods...
}

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论，姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。）

但是以上实现没有考虑线程安全问题。所谓线程安全是指：如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题。显然以上实现并不满足线程安全的要求，在并发环境下很可能出现多个Singleton实例。

public class TestStream {
    private String name;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    } 
    //该类只能有一个实例
    private TestStream(){}    //私有无参构造方法
    //该类必须自行创建
    //有2种方式
    /*private static final TestStream ts=new TestStream();*/
    private static TestStream ts1=null;
    //这个类必须自动向整个系统提供这个实例对象
    public static TestStream getTest(){
        if(ts1==null){
            ts1=new TestStream();
        }
        return ts1;
    }
    public void getInfo(){
        System.out.println("output message "+name);
    }
}

public class TestMain {
    public static void main(String [] args){
        TestStream s=TestStream.getTest();
        s.setName("张孝祥");
        System.out.println(s.getName());
        TestStream s1=TestStream.getTest();
        s1.setName("张孝祥");
        System.out.println(s1.getName());
        s.getInfo();
        s1.getInfo();
        if(s==s1){
            System.out.println("创建的是同一个实例");
        }else if(s!=s1){
            System.out.println("创建的不是同一个实例");
        }else{
            System.out.println("application error");
        }
    }
}

运行结果：
　　张孝祥
　　张孝祥
　　output message 张孝祥
　　output message 张孝祥
　　创建的是同一个实例

结论：由结果可以得知单例模式为一个面向对象的应用程序提供了对象惟一的访问点，不管它实现何种功能，整个应用程序都会同享一个实例对象。

1.饿汉式单例类

//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化 
public class Singleton1 {
    //私有的默认构造子
    private Singleton1() {}
    //已经自行实例化 
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();
    //静态工厂方法 
    public static Singleton1 getInstance() {
        return single;
    }
}

2.懒汉式单例类

//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化 
public class Singleton2 {
    //私有的默认构造子
    private Singleton2() {}
    //注意，这里没有final    
    private static Singleton2 single=null;
    //静态工厂方法 
    public synchronized  static Singleton2 getInstance() {
         if (single == null) {  
             single = new Singleton2();
         }  
        return single;
    }
}

3.登记式单例类

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
//登记式单例类.
//类似Spring里面的方法，将类名注册，下次从里面直接获取。
public class Singleton3 {
    private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();
    static{
        Singleton3 single = new Singleton3();
        map.put(single.getClass().getName(), single);
    }
    //保护的默认构造子
    protected Singleton3(){}
    //静态工厂方法,返还此类惟一的实例
    public static Singleton3 getInstance(String name) {
        if(name == null) {
            name = Singleton3.class.getName();
            System.out.println("name == null"+"--->name="+name);
        }
        if(map.get(name) == null) {
            try {
                map.put(name, (Singleton3) Class.forName(name).newInstance());
            } catch (InstantiationException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return map.get(name);
    }
    //一个示意性的商业方法
    public String about() {    
        return "Hello, I am RegSingleton.";    
    }    
    public static void main(String[] args) {
        Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null);
        System.out.println(single3.about());
    }
}

补充：

可以说单例模式是所有设计模式中最简单的一种。

单例模式就是说系统中对于某类的只能有一个对象，不可能出来第二个。

单例模式也是23中设计模式中在面试时少数几个会要求写代码的模式之一。主要考察的是多线程下面单例模式的线程安全性问题。

对于多线程来讲，如果所使用的公用变量在多线程下没有被保护机制时，变量结果会和理论值不一致，这样就叫作线程不安全，相反公用变量在保护机制下工作，就不会出现未知变化,那这样线程就是安全的.
你在使用单例模式创建对象的时候,如果多个对象同时被创建,又同时被修改或调用就有可能导致了理论值和结果值的不一致,此时线程即是不安全的.
而现在你要做的就是在单例模式下,为防止多线程使用带来的不安全而做同步处理,这种同步处理就是上面说的保护机制.

单例中有个部分，就是有个对象作为这个类的成员变量被保存，而不是作为局部变量，所以其他方法发生并发访问这个对象时其实是在操作同一个对象。
举个例子，两个人同时调用一个方法（给我蛋糕），但这个方法返回一个蛋糕的单例对象，两个人同时获得了同一个蛋糕，并坐下，举起刀叉，结果第一个人先吞了蛋糕，就造成了第二个人明明得到了蛋糕，却没能吃到这个结果。
少用单例模式，采用延迟加载。

1.多线程安全单例模式实例一(不使用同步锁)

public class Singleton {
    private static Singleton sin=new Singleton();    ///直接初始化一个实例对象
    private Singleton(){    ///private类型的构造函数，保证其他类对象不能直接new一个该对象的实例
    }
    public static Singleton getSin(){    ///该类唯一的一个public方法    
        return sin;
    }
}

上述代码中的一个缺点是该类加载的时候就会直接new 一个静态对象出来，当系统中这样的类较多时，会使得启动速度变慢。现在流行的设计都是讲“延迟加载”，我们可以在第一次使用的时候才初始化第一个该类对象。所以这种适合在小系统。

2.多线程安全单例模式实例二(使用同步方法)

public class Singleton {  
      private static Singleton instance;  
      private Singleton (){
          
      }   
      public static synchronized Singleton getInstance(){    //对获取实例的方法进行同步
        if (instance == null)     
          instance = new Singleton(); 
        return instance;
      }
}

上述代码中的一次锁住了一个方法，这个粒度有点大，改进就是只锁住其中的new语句就OK。就是所谓的“双重锁”机制。

3.多线程安全单例模式实例三(使用双重同步锁)

public class Singleton {  
     private static Singleton instance;  
     private Singleton (){
     }   
     public static Singleton getInstance(){    //对获取实例的方法进行同步
       if (instance == null){
           synchronized(Singleton.class){
               if (instance == null)
                   instance = new Singleton(); 
           }
       }
       return instance;
     }
}