如何保证单例模式在多线程中的线程安全性

   如何保证单例模式在多线程中的线程安全性

        对大数据、分布式、高并发等知识的学习必须要有多线程的基础。这里讨论一下如何在多线程的情况下设计单例模式。在23中设计模式中单例模式是比较常见的，在非多线程的情况下写单例模式，考虑的东西会很少，但是如果将多线程和单例模式结合起来，考虑的事情就变多了，如果使用不当（特别是在生成环境中）就会造成严重的后果。所以如何使单例模式在多线程中是安全的显得尤为重要，下面介绍各个方式的优缺点以及可用性：

       1.立即加载（饿汉模式）

        立即加载模式就是在调用getInstance()方法前，实例就被创建了，例：

public class MyObject {
 // 立即加载方式  ==饿汉模式
private static MyObject myObject=new MyObject();
private MyObject(){
}
public static MyObject getInstance(){
return myObject;
}
}

-------------------------------------------------------------------

public class MyThread extends Thread{
public void run(){
System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
}
}

------------------------------------------------------------------

public class Run {
   public static void main(String[] args) {
 MyThread t1=new MyThread();
 MyThread t2=new MyThread();
 MyThread t3=new MyThread();
 t1.start();
 t2.start();
 t3.start();
}
}

     控制台打印：

714682869
714682869
714682869

    控制台打印出3个相同的hashCode，说明只有一个对象，这就是立即加载的单例模式。但是这种模式有一个缺点，就是不能有其他的实例变量，因为getInstance()方法没有同步，所以可能出现非线程安全问题。

   2.延迟加载（懒汉模式）

    延迟加载就是在getInstance()方法中创建实例，例：

     public class MyObject {
private static MyObject myObject;
private MyObject(){
     }
 public static MyObject getInstance(){
// 延迟加载
 if(myObject!=null){  
}else{
myObject=new MyObject();
 }
return myObject;
     }
}

-------------------------------------------------------------------

public class MyThread extends Thread{
public void run(){
System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
}
}

-------------------------------------------------------------------

public class Run {
public static void main(String[] args) {
MyThread t1=new MyThread();
t1.start();
}
}

     控制台打印：

1701381926

    控制台打印出一个实例。缺点：在多线程的环境中，就会出现取多个实例的情况，与单例模式的初衷相背离。所以在多线程的环境中，此实例代码是错误的。

    3.延迟加载中使用synchronized修饰方法

    public class MyObject {
private static MyObject myObject;
private MyObject(){
}
synchronized public static MyObject getInstance(){
try {
if(myObject!=null){
}else{
Thread.sleep(3000);
myObject=new MyObject();
}
} catch (InterruptedException e) {
// TODO: handle exception
e.printStackTrace();
}
return myObject;
}
}

 -------------------------------------------------------------------

public class MyThread extends Thread{
public void run(){
System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
}
}      

-------------------------------------------------------------------

public class Run {
public static void main(String[] args) {
MyThread t1=new MyThread();
MyThread t2=new MyThread();
MyThread t3=new MyThread();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}

     控制台打印：

 1069480624
1069480624
1069480624

     虽然得到了相同的实例，但是我们知道synchronized是同步的，一个线程必须等待另一个线程释放锁之后才能执行，影响了效率。

      4.延迟加载中使用同步代码块，对类加锁

        public class MyObject {
private static MyObject myObject;
private MyObject(){
}
public static MyObject getInstance(){
try {
synchronized(MyObject.class){
if(myObject!=null){
}else{
Thread.sleep(3000);
myObject=new MyObject();
}
}
} catch (InterruptedException e) {
// TODO: handle exception
e.printStackTrace();
}
return myObject;
}
}

 -------------------------------------------------------------------

public class MyThread extends Thread {
public void run(){
System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
}
}

 -------------------------------------------------------------------

public class Run {
public static void main(String[] args) {
MyThread t1=new MyThread();
MyThread t2=new MyThread();
MyThread t3=new MyThread();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}

       控制台打印：

1743911840
1743911840
1743911840

       此代码虽然是正确的，但getInstance()方法里的代码都是同步的了，其实也和第三种方式一样会降低效率

       5.使用DCL双检查锁机制

        DCL双检查锁机制即使用volatile关键字（使变量在多个线程中可见）修改对象和synchronized代码块

       public class MyObject {
    private volatile static MyObject myObject;
    private MyObject(){
    }
    public static MyObject getInstance(){
    try {
if(myObject!=null){
}else{
Thread.sleep(3000);
synchronized(MyObject.class){
if(myObject==null){
myObject=new MyObject();
}
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
// TODO: handle exception
}
    return myObject;
    }
}

 -------------------------------------------------------------------

public class MyThread extends Thread {
public void run(){
System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
}
}    

 -------------------------------------------------------------------

public class Run {
public static void main(String[] args) {
MyThread t1=new MyThread();
MyThread t2=new MyThread();
MyThread t3=new MyThread();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}

     控制台打印：

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      使用DCL双检查锁机制，成功解决了延迟加载模式中遇到的多线程问题，实现了线程安全。其实大多数多线程结合单例模式情况下使用DCL是一种好的解决方案。

       6.使用静态内置类实现单例模式

       public class MyObject {
// 内部类方式
private static class MyObjectHandler{
private static MyObject myObject=new MyObject();
}
private MyObject(){

}
public static MyObject getInstance(){
return MyObjectHandler.myObject;
}
}

-------------------------------------------------------------------

public class MyThread extends Thread {
public void run(){
System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
}
}

 -------------------------------------------------------------------

public class Run {
public static void main(String[] args) {
MyThread t1=new MyThread();
MyThread t2=new MyThread();
MyThread t3=new MyThread();
t1.start();
t2.start();
t3.start();

}
}

    控制台打印：

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1743911840
1743911840

         使用静态内置类可以解决多线程中单例模式的非线程安全的问题，实现线程安全，但是如果对象是序列化的就无法达到效果了。

       7.序列化与反序列化的单例模式

 需要readResolve方法

        public class MyObject implements Serializable{
private static final long serialVersionUID=888L;
// 内部类
private static class MyObjectHandler{
private static final MyObject myObject=new MyObject();
}
private MyObject(){

}
public static MyObject getInstance(){
return MyObjectHandler.myObject;
}
 protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {
 System.out.println("调用了readResolve方法");
return MyObjectHandler.myObject;
 }
}

-------------------------------------------------------------------

public class SaveAndRead {
public static void main(String[] args) {
try {
MyObject myObject=MyObject.getInstance();
FileOutputStream fosRef=new FileOutputStream(new File("myObjectFile.txt"));
ObjectOutputStream oosRef=new ObjectOutputStream(fosRef);
oosRef.writeObject(myObject);
oosRef.close();
fosRef.close();
System.out.println(myObject.hashCode());
} catch (FileNotFoundException e) {
// TODO: handle exception
} catch(IOException e){
e.printStackTrace();
}
try {
FileInputStream fisRef=new FileInputStream(new File("myObjectFile.txt"));
ObjectInputStream iosRef=new ObjectInputStream(fisRef);
MyObject myObject=(MyObject) iosRef.readObject();
iosRef.close();
fisRef.close();
System.out.println(myObject.hashCode());
} catch (FileNotFoundException e) {
// TODO: handle exception
} catch(IOException e){
e.printStackTrace();
} catch(ClassNotFoundException e){
e.printStackTrace();
}
}
}   

      控制台打印：

 1988716027
调用了readResolve方法
1988716027

      调用了readResolve方法后就是单例了，如果我们注释掉readResolve方法，

      控制台打印：

977199748
536468534

       8.使用static代码块实现单例模式

        public class MyObject {
private static MyObject instance=null;
private MyObject(){

}
static {
instance=new MyObject();
}
public static MyObject getInstance(){
return instance;
}
}

-------------------------------------------------------------------

public class MyThread extends Thread{

public void run(){
for (int i = 0; i <5; i++) {
System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
}
}
}

-------------------------------------------------------------------

public class Run {
public static void main(String[] args) {
MyThread t1=new MyThread();
MyThread t2=new MyThread();
MyThread t3=new MyThread();
t1.start();
t2.start();
t3.start();

}
}

   控制台打印：

798941612
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798941612

https://blog.csdn.net/gan785160627/article/details/81946242

应用单例模式时，类只能有一个对象实例，这么做的目的是避免不一致状态。

饿汉式单例：（立即加载）

  1.  
    // 饿汉式单例
  2.  
    public class Singleton1 {
  3.  
     
  4.  
    // 指向自己实例的私有静态引用，主动创建
  5.  
    private static Singleton1 singleton1 = new Singleton1();
  6.  
     
  7.  
    // 私有的构造方法
  8.  
    private Singleton1(){}
  9.  
     
  10.  
    // 以自己实例为返回值的静态的公有方法，静态工厂方法
  11.  
    public static Singleton1 getSingleton1(){
  12.  
    return singleton1;
  13.  
    }
  14.  
    }

懒汉式单例：（延迟加载）

  1.  
    // 懒汉式单例
  2.  
    public class Singleton2 {
  3.  
     
  4.  
    // 指向自己实例的私有静态引用
  5.  
    private static Singleton2 singleton2;
  6.  
     
  7.  
    // 私有的构造方法
  8.  
    private Singleton2(){}
  9.  
     
  10.  
    // 以自己实例为返回值的静态的公有方法，静态工厂方法
  11.  
    public static Singleton2 getSingleton2(){
  12.  
    // 被动创建，在真正需要使用时才去创建
  13.  
    if (singleton2 == null) {
  14.  
    singleton2 = new Singleton2();
  15.  
    }
  16.  
    return singleton2;
  17.  
    }
  18.  
    }

多线程下线程安全的懒汉式单例（饿汉式本身是线程安全的）：

1)、同步延迟加载 — synchronized方法

  1.  
    // 线程安全的懒汉式单例
  2.  
    public class Singleton2 {
  3.  
     
  4.  
    private static Singleton2 singleton2;
  5.  
     
  6.  
    private Singleton2(){}
  7.  
     
  8.  
    // 使用 synchronized 修饰，临界资源的同步互斥访问
  9.  
    public static synchronized Singleton2 getSingleton2(){
  10.  
    if (singleton2 == null) {
  11.  
    singleton2 = new Singleton2();
  12.  
    }
  13.  
    return singleton2;
  14.  
    }
  15.  
    }

2)、同步延迟加载 — synchronized块

  1.  
    // 线程安全的懒汉式单例
  2.  
    public class Singleton2 {
  3.  
     
  4.  
    private static Singleton2 singleton2;
  5.  
     
  6.  
    private Singleton2(){}
  7.  
     
  8.  
     
  9.  
    public static Singleton2 getSingleton2(){
  10.  
    synchronized(Singleton2.class){ // 使用 synchronized 块，临界资源的同步互斥访问
  11.  
    if (singleton2 == null) {
  12.  
    singleton2 = new Singleton2();
  13.  
    }
  14.  
    }
  15.  
    return singleton2;
  16.  
    }
  17.  
    }

3)、同步延迟加载 — 使用内部类实现延迟加载

  1.  
    // 线程安全的懒汉式单例
  2.  
    public class Singleton5 {
  3.  
     
  4.  
    // 私有内部类，按需加载，用时加载，也就是延迟加载
  5.  
    private static class Holder {
  6.  
    private static Singleton5 singleton5 = new Singleton5();
  7.  
    }
  8.  
     
  9.  
    private Singleton5() {
  10.  
     
  11.  
    }
  12.  
     
  13.  
    public static Singleton5 getSingleton5() {
  14.  
    return Holder.singleton5;
  15.  
    }
  16.  
    }

4）双重检测

  1.  
    // 线程安全的懒汉式单例
  2.  
    public class Singleton3 {
  3.  
     
  4.  
    //使用volatile关键字防止重排序，因为 new Instance()是一个非原子操作，可能创建一个不完整的实例
  5.  
    private static volatile Singleton3 singleton3;
  6.  
     
  7.  
    private Singleton3() {
  8.  
    }
  9.  
     
  10.  
    public static Singleton3 getSingleton3() {
  11.  
    // Double-Check idiom
  12.  
    if (singleton3 == null) {
  13.  
    synchronized (Singleton3.class) { // 1
  14.  
    // 只需在第一次创建实例时才同步
  15.  
    if (singleton3 == null) { // 2
  16.  
    singleton3 = new Singleton3(); // 3
  17.  
    }
  18.  
    }
  19.  
    }
  20.  
    return singleton3;
  21.  
    }
  22.  
    }

5）ThreadLocal

  1.  
    public class Singleton {
  2.  
     
  3.  
    // ThreadLocal 线程局部变量，将单例instance线程私有化
  4.  
    private static ThreadLocal<Singleton> threadlocal = new ThreadLocal<Singleton>();
  5.  
    private static Singleton instance;
  6.  
     
  7.  
    private Singleton() {
  8.  
     
  9.  
    }
  10.  
     
  11.  
    public static Singleton getInstance() {
  12.  
     
  13.  
    // 第一次检查：若线程第一次访问，则进入if语句块；否则，若线程已经访问过，则直接返回ThreadLocal中的值
  14.  
    if (threadlocal.get() == null) {
  15.  
    synchronized (Singleton.class) {
  16.  
    if (instance == null) { // 第二次检查：该单例是否被创建
  17.  
    instance = new Singleton();
  18.  
    }
  19.  
    }
  20.  
    threadlocal.set(instance); // 将单例放入ThreadLocal中
  21.  
    }
  22.  
    return threadlocal.get();
  23.  
    }
  24.  
    }
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