【JavaEE初阶】多线程 _ 基础篇 _ 单例模式（案例一）

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿

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写在前面

前面已经向各位铁铁们介绍了关于多线程的一些基本的知识点，为了可以让大家更好的理解多线程的一些相关的特性，这篇博客就会结合着一些具体的代码案例来向大家介绍~

这篇博客就向大家介绍关于多线程的第一个案例 —— 单例模式~

一、单例模式的概念

所谓单例模式，是一种常见的设计模式~

单例模式希望：有些对象，在一个程序中应该只有唯一一个实例，就可以使用单例模式~

换句话说，在单例模式下，对象的实例化被限制了，只能创建一个，多了也创建不了~

如果关是靠人来保证，是不靠谱的，所以就借助语法，强行限制不可以创建多个实例，避免程序员不小心出错~

设计模式：类似于棋谱，是前辈们已经总结好了的一些固定套路，照着棋谱来下棋，棋就不会下的太差，这就提高了下限（比如说，象棋 ......）~

二、单例模式的简单实现

在 Java 里面的单例模式，有很多种实现方式，在这里主要介绍两个大类：饿汉模式、懒汉模式~

饿汉模式和懒汉模式两种模式，描述了创建实例的时间~

这两种模式，并没有什么高低贵贱之分，不是现实生活中的 "贬义词"，相反在计算机领域，"懒"还是一个褒义词，这个字意味着计算机的性能比较高~

在计算机中，这种思想是很常见的~

比如说，想要了解某个资料（大文件 10G，存放在硬盘中），那么此时使用某个编辑器，打开文件，就会出现两种情况：

[饿汉] 把 10G 都读到内存中，读取完毕之后再允许用户进行查看和修改~
[懒汉] 只读取一点点（当前屏幕能显示出的范围），随着用户翻页，继续再读后续内容~

所以说，如果是饿汉模式，那么显示所需要的时间就会比较多；如果是懒汉模式，那么显示的时间就会比较低，效率就会比较高（也有可能用户打开文件以后，只看了两眼就关了，后面的大部分都没有读，那么内存读了那么多也没有意义）~

所以，通常我们都认为，懒汉模式要比饿汉模式更高效~

当然，还有刷抖音、看小说、看微信、上网浏览内容 ...... 的时候，都是借鉴了懒汉模式~

2.1 饿汉模式

饿汉模式的意思是，程序一旦启动，就会立刻创建实例~

这就好比，一个饿了的人，看到一张饼，就会迫不及待的往嘴里塞，我们把它叫做 "饿汉"~

static关键字的来龙去脉：

static 名字叫做 "静态"，但是实际上和字面意思没有任何的关系，这是一个历史遗留的问题~

实际表示的含义是 "类属性 / 类方法"，同样的，我们把不是静态的普通的成员叫做 "实例属性 / 实例方法"~

Java 里面叫做 "静态" 是因为 C++ 里面表示 "类属性"，就是用 static，Java 是从 C++ 那里抄来的；而 C++ 则是因为引入面向对象之后。需要搞一个方式来定义类属性，就需要引入一个关键字，但是引入新的关键字成本极高，所以关键字设计者的大佬们目光就盯住了旧的关键字~

于是，static 就中招了，static 原来表示的是变量放到静态内存区，但是随着时间的推移，系统的进化，已经没有 "静态内存区" 这个说法了，但是 static关键字还在，于是 "旧瓶装新酒"，就用来表示 "类属性 / 类方法" 了~

此时，"类属性 / 类方法" 和静不静态字面意思上没有啥关系，只是随便找一个之前旧的关键字，现在没啥用了，赋予一个新的功能，仅此而已~

引入新的关键字成本极高的原因：

写代码的时候，变量名不能和关键字一样，当引入新的关键字的时候，不可以确定其他人是不是已经引入了新的关键字作为变量名（全世界的 C++ 代码那么多 ......）~

更大的可能是新的关键字一引入，就会导致已有的一些代码编译就会失败~

然后这把火就会烧到了关键字设计者的身上~

而类属性就长在类对象上，类对象在整个程序中只有唯一一个实例（JVM保证的），所以说类的静态成员就只有唯一一个了~

package thread;

//单例模式，饿汉的方式
class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    //后续如果需要这个实例，就需要统一基于 getInstance 方法来获取 实力独苗，不要去 new 了~
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    //构造方法设为 私有，此时 其他的类想来 new 就不可以了 (通过 编译器的规则来确保只有一个实例对象)~
    private Singleton() { }
}
public class Demo19 {
    public static void main(String[] args) {
        //饿汉模式 的调用
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);
    }
}

运行结果：

【JavaEE初阶】多线程 _ 基础篇 _ 单例模式（案例一）

如果不小心想创建另一个实例，那么就会编译报错了：

【JavaEE初阶】多线程 _ 基础篇 _ 单例模式（案例一）

总结：

使用静态成员表示实例（唯一性） + 让构造方法设为私有（堵住了 new 创建新实例的口子）~

按照上面的代码，当 Singleton类被加载的时候，就会执行到实例化操作，此时实例化的时机非常早（非常迫切的感觉），我们把它称为饿汉模式~

对于饿汉模式来说，在多线程的情况下，多次调用的是 getInstance() 方法，而这个方法只是一个读操作，对于多线程读操作来说，是线程安全的~

2.2 懒汉模式

懒汉模式的意思是，程序启动，先不着急创建实例，等到真正用的时候，再创建实例~

这个也很形象，比较 "懒"，不想干活，等到需要的时候再去干活~

//懒汉模式的实现
class SingletLazy {
    //此处没有立即创建实例
    private static SingletLazy instance = null;

    //当首次调用 getInstance() 的时候，才会创建实例
    public static SingletLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletLazy();
        }
        return instance;
    }

    //同理，创建构造方法 SingletLazy()，防止该类实例化其他的对象
    private SingletLazy() { }
}

在多线程的情况下，懒汉模式，多次调用 getInstance() 方法，而且涉及到了两次读操作（读出 instance 是否为空，读出返回的 instance 值）和一次写操作（修改 instance 变量的值），这是线程不安全的~

当然，一旦实例创建好了以后，后续 if 条件语句就进不去了，此时也就是全是读操作了，也就线程安全了~

既然已经明确了，懒汉模式是线程不安全的，那么如何解决懒汉模式线程不安全的问题呢？

办法就是需要加锁！！！

通过加锁来保证 "判断" 和 "修改" 这组操作是原子的~

//懒汉模式的实现
class SingletLazy {
    //此处没有立即创建实例
    private static SingletLazy instance = null;

    //当首次调用 getInstance() 的时候，才会创建实例
    public static SingletLazy getInstance() {
        synchronized (SingletLazy.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new SingletLazy();
            }
        }
        return instance;
    }

    //同理，创建构造方法 SingletLazy()，防止该类实例化其他的对象
    private SingletLazy() { }
}

懒汉模式，只是在初始情况下，才会有线程不安全的问题，一旦实例创建好了以后，此时就安全了~

所以说，在后续调用 getInstance 的时候就不应该尝试加锁了~

如果使用上述的代码，无论 instance 是否为空（是否初始化），都会进行加锁，使得锁竞争加剧，消耗一些没有必要消耗的资源，就会很影响效率了~

在加锁之前，还需要进行判断 instance 是否为空（是否初始化），如果为空才会进行加锁：

//懒汉模式的实现
class SingletLazy {
    //此处没有立即创建实例
    private static SingletLazy instance = null;

    //当首次调用 getInstance() 的时候，才会创建实例
    public static SingletLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    //同理，创建构造方法 SingletLazy()，防止该类实例化其他的对象
    private SingletLazy() { }
}

分析：

外层 if 判定当前是否已经初始化好，如果未初始化好，就尝试加锁；如果已经初始化好，那么就接着往下走~

里层 if 是在多个线程尝试初始化，产生了锁竞争，这些参与竞争的线程拿到锁之后，再进一步确认，是否真的要初始化~

当然，上面的代码操作还是有一些问题的 —— 有的线程在读，有的线程在写~

这就联想起了 —— 内存可见性问题~

其实，这里的情况和之前的情况还不一样，每一个线程都有自己的上下文，都有自己的寄存器内容，按理来说是不应该会出现优化的~

但是，实际上也不好说，也并不能保证编译器优化是啥样的过程~

因此，给 instance 加上 volatile 是更加稳健的做法~

如果不加 volatile 不一定会有问题，但是稳妥起见，还是加上更好~

//懒汉模式的实现
class SingletLazy {
    //此处没有立即创建实例
    volatile private static SingletLazy instance = null;

    //当首次调用 getInstance() 的时候，才会创建实例
    public static SingletLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    //同理，创建构造方法 SingletLazy()，防止该类实例化其他的对象
    private SingletLazy() { }
}