单例模式以及线程安全问题

单例模式的概念

单例模式是指的是整个系统生命周期内，保证一个类只能产生一个实例对象

保证类的唯一性。

通过一些编码上的技巧，使编译器可以自动发现咱们的代码中是否有多个实例，并且在尝试创建多个实例的时候，直接编译出错。

应用场景：数据库连接池、多线程线程池 windows回收站

单例模式特点

单一实例 ：单例模式确保一个类只有一个实例。
全局访问点 ：单例模式提供了一个全局的访问点来获取这个唯一的实例。
延迟初始化 ：单例模式通常实现延迟初始化，即在实际需要实例之前不会创建实例，这样可以节省系统资源。
线程安全：在多线程环境中，单例模式需要确保即时在高并发的情况下也能保持实例的唯一性。

单例模式实现方式

单例模式有很多种实现方式，包括饿汉式和懒汉式。

懒汉式会涉及到线程安全问题可以使用加锁的方式可以解决线程安全。

而饿汉式就不会有线程安全问题

下面我们用代码来分别实现一下饿汉和懒汉的单例模式：

java 复制代码

package thread;
//单例模式  懒汉模式的实现

class SingletonLazy {
    private static  SingletonLazy instance = null;
    private static Object locker = new Object();

    public static SingletonLazy getInstance() {
      //  if (instance == null) {
            //synchronized (locker) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
           // }
       // }
        return instance;
    }
    public SingletonLazy() {}
}
public class Demo28 {

    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

java 复制代码

package thread;
//单例模式  懒汉模式的实现

class SingletonLazy {
    private static  SingletonLazy instance = null;
    private static Object locker = new Object();

    public static SingletonLazy getInstance() {
      //  if (instance == null) {
            //synchronized (locker) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
           // }
       // }
        return instance;
    }
    public SingletonLazy() {}
}
public class Demo28 {

    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

单例模式多线程环境下的安全问题

在多线程中饿汉式单例模式是线程安全的而懒汉式单例模式是线程不安全的

为什么呢因为饿汉式写法创建实例的时机是在Java线程启动（比main调用还早的时机）再后续线程执行获取对象的时候意味着实例早就已经存在了每个线程的获取操作就做了一件事读取代码中静态变量的值

多个线程读取同一个变量的值线程是安全的

懒汉式则涉及到读和修改操作就是要先判断instance里面的引用地址是否为空为空才修改多线程环境下可能就会产生bug

像上面图片这种执行顺序就会出现线程安全问题就不止一个实例了就不符合我们单例模式的初衷了。

那怎么办呢我们最容易想到处理的方式就是加锁了那要怎么加锁呢

比如这样加锁：

这样很明显还是线程不安全：

因为这个锁就相当于没加两个线程还是会new两个对象那怎么办呢我们可不可以把if判断操作和new操作打包成一个原子答案是当然可以。

像上面这样加锁 t1执行加锁之后，t2就会阻塞等待直到t1释放锁（new完了）t2才拿到锁，才能进行条件判读 t2判断的时候instance早就非空了，也就不会再new了。

但是现在还存在一个问题就是我们上面那种加锁虽然解决了线程安全问题但是这样设计锁每次调用那个getinstance方法，就需要先加锁,再执行后续操作。但是懒汉模式只是一开始调用的时候存在线程安全问题，一旦实例创建好了，后续再调用就只是读取操作了，就不存在线程安全问题

但是我们这样加锁就会出现后面都没有线程安全问题了但是我们还在加锁，这就有点画蛇添足了。因为锁本身也是有开销的可能会使线程阻塞。

那怎么办呢我们可以引入双重if判定

在上面这种加锁方式下首先我们要先判断一下是否需要加锁实例化之后线程安全了就不用加锁了实例化之前就应该加锁在两个if判断之间，synchronized会使线程阻塞等待阻塞过程其他线程会修改instance的值

下面我们来画个时间轴来解释：

当t2在进去第一个if条件之后就会阻塞等待等到t1释放锁现在instace已经不为null了 t2的第二个if条件也是进不去的后面不为空了锁就不用加了。

这样就解决了没有线程安全也加锁的情况了。

但是现在还有一个问题就是内存可见性引起的线程安全问题就相当于

t1线程修改了instance引用，t2有可能读不到（不过这种概率应该很小）为了避免这种情况的发生我们还要加上volatile 关键字

这个关键字还可以解决指令重排序问题

指令重排序

指令重排序也是编译器的一种优化策列按照正常来说你写一段代码 cpu应该使按照顺序一条一条执行的，但是编译器就比较智能，会根据实际情况生成二进制指令的执行顺序，和你最初写的代码的顺序可能会存在差别

调整顺序最主要的目的就是为了提高效率，但是在保证逻辑是等价的。

上面执行这个代码会有三条指令

1、申请内存空间

2、调用构造方法（对内存空间进行初始化）

3、把此时内存空间的地址，赋值给instance引用

在多线程环境下如果执行顺序是1 3 2 就会出现线程安全问题

如果3指令比2指令先执行就会出现返回未初始化完毕的对象

就相当于t1线程执行完 instance就不是null了但其实他是一个为初始化的对象到时候t2线程执行的时候instance引用已经不是空的了就进不去就直接返回instance 了返回了一个没有初始化完毕的对象。这样就会导致很严重的线程安全问题所以我们要加上volatile关键字这样就很好的解决了指令重排序引起的线程安全问题。

总结

上面就是单例模式的相关实现和线程安全问题当然单例模式还有很多延伸问题怎么解决反射下能够保证是单例的模式即使使用反射也不能破坏单例模式的唯一性呢那可能就要用到枚举的实现。但是我们上面讲的单例模式的内容是经常用到的在面试中也是会经常问到的一般HR会让你现场写一个单例模式你应该一步一步写先不考虑线程安全问题，等着HR问你你再慢慢一步一步加上解决的实现方法。

谢谢大家的浏览！！！