高并发下线程安全的单例模式

本是古典何须时尚 2022-05-13 04:04 157阅读 0赞

# 高并发下线程安全的单例模式 #

在所有的设计模式中，单例模式是我们在项目开发中最为常见的设计模式之一，而单例模式有很多种实现方式，你是否都了解呢？高并发下如何保证单例模式的线程安全性呢？如何保证序列化后的单例对象在反序列化后任然是单例的呢？这些问题在看了本文之后都会一一的告诉你答案，赶快来阅读吧！

## 什么是单例模式? ##

在文章开始之前我们还是有必要介绍一下什么是单例模式。单例模式是为确保一个类只有一个实例，并为整个系统提供一个全局访问点的一种模式方法。

从概念中体现出了单例的一些特点：

（1）、在任何情况下，单例类永远只有一个实例存在

（2）、单例需要有能力为整个系统提供这一唯一实例

为了便于读者更好的理解这些概念，下面给出这么一段内容叙述：

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。  
  
正是由于这个特点，单例对象通常作为程序中的存放配置信息的载体，因为它能保证其他对象读到一致的信息。例如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息可能存放在数据库或文件中，这些配置数据由某个单例对象统一读取，服务进程中的其他对象如果要获取这些配置信息，只需访问该单例对象即可。这种方式极大地简化了在复杂环境 下，尤其是多线程环境下的配置管理，但是随着应用场景的不同，也可能带来一些同步问题。

## 各式各样的单例实现 ##

**温馨提示：**本文叙述中涉及到的相关源码可以在这里进行[下载源码][Link 1]，读者可免积分下载。

### 1、饿汉式单例 ###

饿汉式单例是指在方法调用前，实例就已经创建好了。下面是实现代码：

1.  `package org.mlinge.s01;`
2.   
3.  `public class MySingleton {`
4.   
5.  `private static MySingleton instance = new MySingleton();`
6.   
7.  `private MySingleton(){}`
8.   
9.  `public static MySingleton getInstance() {`
10. `return instance;`
11. `}`
12.  
13. `}`

以上是单例的饿汉式实现，我们来看看饿汉式在多线程下的执行情况，给出一段多线程的执行代码：

1.  `package org.mlinge.s01;`
2.   
3.  `public class MyThread extends Thread{`
4.   
5.  `@Override`
6.  `public void run() {`
7.  `System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());`
8.  `}`
9.   
10. `public static void main(String[] args) {`
11.  
12. `MyThread[] mts = new MyThread[10];`
13. `for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){`
14. `mts[i] = new MyThread();`
15. `}`
16.  
17. `for (int j = 0; j < mts.length; j++) {`
18. `mts[j].start();`
19. `}`
20. `}`
21. `}`

以上代码运行结果：

1718900954
    1718900954
    1718900954
    1718900954
    1718900954
    1718900954
    1718900954
    1718900954
    1718900954
    1718900954

从运行结果可以看出实例变量额hashCode值一致，这说明对象是同一个，饿汉式单例实现了。

### 2、懒汉式单例 ###

懒汉式单例是指在方法调用获取实例时才创建实例，因为相对饿汉式显得“不急迫”，所以被叫做“懒汉模式”。下面是实现代码：

这里实现了懒汉式的单例，但是熟悉多线程并发编程的朋友应该可以看出，在多线程并发下这样的实现是无法保证实例实例唯一的，甚至可以说这样的失效是完全错误的，下面我们就来看一下多线程并发下的执行情况，这里为了看到效果，我们对上面的代码做一小点修改：

1.  `package org.mlinge.s02;`
2.   
3.  `public class MySingleton {`
4.   
5.  `private static MySingleton instance = null;`
6.   
7.  `private MySingleton(){}`
8.   
9.  `public static MySingleton getInstance() {`
10. `try {`
11. `if(instance != null){//懒汉式`
12.  
13. `}else{`
14. `//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作`
15. `Thread.sleep(300);`
16. `instance = new MySingleton();`
17. `}`
18. `} catch (InterruptedException e) {`
19. `e.printStackTrace();`
20. `}`
21. `return instance;`
22. `}`
23. `}`

这里假设在创建实例前有一些准备性的耗时工作要处理，多线程调用：

1.  `package org.mlinge.s02;`
2.   
3.  `public class MyThread extends Thread{`
4.   
5.  `@Override`
6.  `public void run() {`
7.  `System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());`
8.  `}`
9.   
10. `public static void main(String[] args) {`
11.  
12. `MyThread[] mts = new MyThread[10];`
13. `for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){`
14. `mts[i] = new MyThread();`
15. `}`
16.  
17. `for (int j = 0; j < mts.length; j++) {`
18. `mts[j].start();`
19. `}`
20. `}`
21. `}`

执行结果如下：

1210420568
    1210420568
    1935123450
    1718900954
    1481297610
    1863264879
    369539795
    1210420568
    1210420568
    602269801

从这里执行结果可以看出，单例的线程安全性并没有得到保证，那要怎么解决呢？

### 3、线程安全的懒汉式单例 ###

要保证线程安全，我们就得需要使用同步锁机制，下面就来看看我们如何一步步的解决 存在线程安全问题的懒汉式单例（错误的单例）。

（1）、 方法中声明synchronized关键字

出现非线程安全问题，是由于多个线程可以同时进入getInstance()方法，那么只需要对该方法进行synchronized的锁同步即可：

1.  `package org.mlinge.s03;`
2.   
3.  `public class MySingleton {`
4.   
5.  `private static MySingleton instance = null;`
6.   
7.  `private MySingleton(){}`
8.   
9.  `public synchronized static MySingleton getInstance() {`
10. `try {`
11. `if(instance != null){//懒汉式`
12.  
13. `}else{`
14. `//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作`
15. `Thread.sleep(300);`
16. `instance = new MySingleton();`
17. `}`
18. `} catch (InterruptedException e) {`
19. `e.printStackTrace();`
20. `}`
21. `return instance;`
22. `}`
23. `}`

此时任然使用前面验证多线程下执行情况的MyThread类来进行验证，将其放入到org.mlinge.s03包下运行，执行结果如下：

1689058373
    1689058373
    1689058373
    1689058373
    1689058373
    1689058373
    1689058373
    1689058373
    1689058373
    1689058373

从执行结果上来看，问题已经解决了，但是这种实现方式的运行效率会很低。同步方法效率低，那我们考虑使用同步代码块来实现：

（2）、 同步代码块实现

1.  `package org.mlinge.s03;`
2.   
3.  `public class MySingleton {`
4.   
5.  `private static MySingleton instance = null;`
6.   
7.  `private MySingleton(){}`
8.   
9.  `//public synchronized static MySingleton getInstance() {`
10. `public static MySingleton getInstance() {`
11. `try {`
12. `synchronized (MySingleton.class) {`
13. `if(instance != null){//懒汉式`
14.  
15. `}else{`
16. `//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作`
17. `Thread.sleep(300);`
18. `instance = new MySingleton();`
19. `}`
20. `}`
21. `} catch (InterruptedException e) {`
22. `e.printStackTrace();`
23. `}`
24. `return instance;`
25. `}`
26. `}`

这里的实现能够保证多线程并发下的线程安全性，但是这样的实现将全部的代码都被锁上了，同样的效率很低下。

（3）、 针对某些重要的代码来进行单独的同步（可能非线程安全）

针对某些重要的代码进行单独的同步，而不是全部进行同步，可以极大的提高执行效率，我们来看一下：

1.  `package org.mlinge.s04;`
2.   
3.  `public class MySingleton {`
4.   
5.  `private static MySingleton instance = null;`
6.   
7.  `private MySingleton(){}`
8.   
9.  `public static MySingleton getInstance() {`
10. `try {`
11. `if(instance != null){//懒汉式`
12.  
13. `}else{`
14. `//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作`
15. `Thread.sleep(300);`
16. `synchronized (MySingleton.class) {`
17. `instance = new MySingleton();`
18. `}`
19. `}`
20. `} catch (InterruptedException e) {`
21. `e.printStackTrace();`
22. `}`
23. `return instance;`
24. `}`
25. `}`

此时同样使用前面验证多线程下执行情况的MyThread类来进行验证，将其放入到org.mlinge.s04包下运行，执行结果如下：

1481297610
    397630378
    1863264879
    1210420568
    1935123450
    369539795
    590202901
    1718900954
    1689058373
    602269801

从运行结果来看，这样的方法进行代码块同步，代码的运行效率是能够得到提升，但是却**没能保住线程的安全性。**看来还得进一步考虑如何解决此问题。

（4）、 **Double Check Locking** 双检查锁机制（推荐）

为了达到线程安全，又能提高代码执行效率，我们这里可以采用DCL的双检查锁机制来完成，代码实现如下：

1.  `package org.mlinge.s05;`
2.   
3.  `public class MySingleton {`
4.   
5.  `//使用volatile关键字保其可见性`
6.  `volatile private static MySingleton instance = null;`
7.   
8.  `private MySingleton(){}`
9.   
10. `public static MySingleton getInstance() {`
11. `try {`
12. `if(instance != null){//懒汉式`
13.  
14. `}else{`
15. `//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作`
16. `Thread.sleep(300);`
17. `synchronized (MySingleton.class) {`
18. `if(instance == null){//二次检查`
19. `instance = new MySingleton();`
20. `}`
21. `}`
22. `}`
23. `} catch (InterruptedException e) {`
24. `e.printStackTrace();`
25. `}`
26. `return instance;`
27. `}`
28. `}`

将前面验证多线程下执行情况的MyThread类放入到org.mlinge.s05包下运行，执行结果如下：

1.  `369539795`
2.  `369539795`
3.  `369539795`
4.  `369539795`
5.  `369539795`
6.  `369539795`
7.  `369539795`
8.  `369539795`
9.  `369539795`
10. `369539795`

从运行结果来看，该中方法保证了多线程并发下的线程安全性。

这里在声明变量时使用了volatile关键字来保证其线程间的可见性；在同步代码块中使用二次检查，以保证其不被重复实例化。集合其二者，这种实现方式既保证了其高效性，也保证了其线程安全性。

### 4、使用静态内置类实现单例模式 ###

DCL解决了多线程并发下的线程安全问题，其实使用其他方式也可以达到同样的效果，代码实现如下：

1.  `package org.mlinge.s06;`
2.   
3.  `public class MySingleton {`
4.   
5.  `//内部类`
6.  `private static class MySingletonHandler{`
7.  `private static MySingleton instance = new MySingleton();`
8.  `}`
9.   
10. `private MySingleton(){}`
11.  
12. `public static MySingleton getInstance() {`
13. `return MySingletonHandler.instance;`
14. `}`
15. `}`

以上代码就是使用静态内置类实现了单例模式，这里将前面验证多线程下执行情况的MyThread类放入到org.mlinge.s06包下运行，执行结果如下：

1.  `1718900954`
2.  `1718900954`
3.  `1718900954`
4.  `1718900954`
5.  `1718900954`
6.  `1718900954`
7.  `1718900954`
8.  `1718900954`
9.  `1718900954`
10. `1718900954`

从运行结果来看，静态内部类实现的单例在多线程并发下单个实例得到了保证。

### 5、序列化与反序列化的单例模式实现 ###

静态内部类虽然保证了单例在多线程并发下的线程安全性，但是在遇到序列化对象时，默认的方式运行得到的结果就是多例的。

代码实现如下：

1.  `package org.mlinge.s07;`
2.   
3.  `import java.io.Serializable;`
4.   
5.  `public class MySingleton implements Serializable {`
6.   
7.  `private static final long serialVersionUID = 1L;`
8.   
9.  `//内部类`
10. `private static class MySingletonHandler{`
11. `private static MySingleton instance = new MySingleton();`
12. `}`
13.  
14. `private MySingleton(){}`
15.  
16. `public static MySingleton getInstance() {`
17. `return MySingletonHandler.instance;`
18. `}`
19. `}`

序列化与反序列化测试代码：

1.  `package org.mlinge.s07;`
2.   
3.  `import java.io.File;`
4.  `import java.io.FileInputStream;`
5.  `import java.io.FileNotFoundException;`
6.  `import java.io.FileOutputStream;`
7.  `import java.io.IOException;`
8.  `import java.io.ObjectInputStream;`
9.  `import java.io.ObjectOutputStream;`
10.  
11. `public class SaveAndReadForSingleton {`
12.  
13. `public static void main(String[] args) {`
14. `MySingleton singleton = MySingleton.getInstance();`
15.  
16. `File file = new File("MySingleton.txt");`
17.  
18. `try {`
19. `FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);`
20. `ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);`
21. `oos.writeObject(singleton);`
22. `fos.close();`
23. `oos.close();`
24. `System.out.println(singleton.hashCode());`
25. `} catch (FileNotFoundException e) {`
26. `e.printStackTrace();`
27. `} catch (IOException e) {`
28. `e.printStackTrace();`
29. `}`
30.  
31. `try {`
32. `FileInputStream fis = new FileInputStream(file);`
33. `ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);`
34. `MySingleton rSingleton = (MySingleton) ois.readObject();`
35. `fis.close();`
36. `ois.close();`
37. `System.out.println(rSingleton.hashCode());`
38. `} catch (FileNotFoundException e) {`
39. `e.printStackTrace();`
40. `} catch (IOException e) {`
41. `e.printStackTrace();`
42. `} catch (ClassNotFoundException e) {`
43. `e.printStackTrace();`
44. `}`
45.  
46. `}`
47. `}`

运行以上代码，得到的结果如下：

1.  `865113938`
2.  `1442407170`

从结果中我们发现，序列号对象的hashCode和反序列化后得到的对象的hashCode值不一样，说明反序列化后返回的对象是重新实例化的，单例被破坏了。那怎么来解决这一问题呢？

解决办法就是在反序列化的过程中使用readResolve()方法，单例实现的代码如下：

1.  `package org.mlinge.s07;`
2.   
3.  `import java.io.ObjectStreamException;`
4.  `import java.io.Serializable;`
5.   
6.  `public class MySingleton implements Serializable {`
7.   
8.  `private static final long serialVersionUID = 1L;`
9.   
10. `//内部类`
11. `private static class MySingletonHandler{`
12. `private static MySingleton instance = new MySingleton();`
13. `}`
14.  
15. `private MySingleton(){}`
16.  
17. `public static MySingleton getInstance() {`
18. `return MySingletonHandler.instance;`
19. `}`
20.  
21. `//该方法在反序列化时会被调用，该方法不是接口定义的方法，有点儿约定俗成的感觉`
22. `protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {`
23. `System.out.println("调用了readResolve方法！");`
24. `return MySingletonHandler.instance;`
25. `}`
26. `}`
27.

再次运行上面的测试代码，得到的结果如下：

865113938
    调用了readResolve方法！
    865113938

从运行结果可知，添加readResolve方法后反序列化后得到的实例和序列化前的是同一个实例，单个实例得到了保证。

### 6、使用static代码块实现单例 ###

静态代码块中的代码在使用类的时候就已经执行了，所以可以应用静态代码块的这个特性的实现单例设计模式。

1.  `package org.mlinge.s08;`
2.   
3.  `public class MySingleton{`
4.   
5.  `private static MySingleton instance = null;`
6.   
7.  `private MySingleton(){}`
8.   
9.  `static{`
10. `instance = new MySingleton();`
11. `}`
12.  
13. `public static MySingleton getInstance() {`
14. `return instance;`
15. `}`
16. `}`

测试代码如下：

1.  `package org.mlinge.s08;`
2.   
3.  `public class MyThread extends Thread{`
4.   
5.  `@Override`
6.  `public void run() {`
7.  `for (int i = 0; i < 5; i++) {`
8.  `System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());`
9.  `}`
10. `}`
11.  
12. `public static void main(String[] args) {`
13.  
14. `MyThread[] mts = new MyThread[3];`
15. `for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){`
16. `mts[i] = new MyThread();`
17. `}`
18.  
19. `for (int j = 0; j < mts.length; j++) {`
20. `mts[j].start();`
21. `}`
22. `}`
23. `}`

运行结果如下：

1.  `1718900954`
2.  `1718900954`
3.  `1718900954`
4.  `1718900954`
5.  `1718900954`
6.  `1718900954`
7.  `1718900954`
8.  `1718900954`
9.  `1718900954`
10. `1718900954`
11. `1718900954`
12. `1718900954`
13. `1718900954`
14. `1718900954`
15. `1718900954`

从运行结果看，单例的线程安全性得到了保证。

### 7、使用枚举数据类型实现单例模式 ###

枚举enum和静态代码块的特性相似，在使用枚举时，构造方法会被自动调用，利用这一特性也可以实现单例：

1.  `package org.mlinge.s09;`
2.   
3.  `public enum EnumFactory{`
4.  `    `
5.  `    singletonFactory;`
6.  `    `
7.  `    private MySingleton instance;`
8.  `    `
9.  `    private EnumFactory(){//枚举类的构造方法在类加载是被实例化`
10. `        instance = new MySingleton();`
11. `    }`
12. `        `
13. `    public MySingleton getInstance(){`
14. `        return instance;`
15. `    }`
16. `    `
17. `}`
18.  
19. `class MySingleton{//需要获实现单例的类，比如数据库连接Connection`
20. `    public MySingleton(){}`
21. `}`

测试代码如下：

1.  `package org.mlinge.s09;`
2.   
3.  `public class MyThread extends Thread{`
4.   
5.  `@Override`
6.  `public void run() {`
7.  `System.out.println(EnumFactory.singletonFactory.getInstance().hashCode());`
8.  `}`
9.   
10. `public static void main(String[] args) {`
11.  
12. `MyThread[] mts = new MyThread[10];`
13. `for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){`
14. `mts[i] = new MyThread();`
15. `}`
16.  
17. `for (int j = 0; j < mts.length; j++) {`
18. `mts[j].start();`
19. `}`
20. `}`
21. `}`

执行后得到的结果：

1.  `1481297610`
2.  `1481297610`
3.  `1481297610`
4.  `1481297610`
5.  `1481297610`
6.  `1481297610`
7.  `1481297610`
8.  `1481297610`
9.  `1481297610`
10. `1481297610`

运行结果表明单例得到了保证，但是这样写枚举类被完全暴露了，据说违反了“职责单一原则”，那我们来看看怎么进行改造呢。

8、完善使用enum枚举实现单例模式

不暴露枚举类实现细节的封装代码如下：

1.  `package org.mlinge.s10;`
2.   
3.  `public class ClassFactory{`
4.   
5.  `private enum MyEnumSingleton{`
6.  `singletonFactory;`
7.   
8.  `private MySingleton instance;`
9.   
10. `private MyEnumSingleton(){//枚举类的构造方法在类加载是被实例化`
11. `instance = new MySingleton();`
12. `}`
13.  
14. `public MySingleton getInstance(){`
15. `return instance;`
16. `}`
17. `}`
18.  
19. `public static MySingleton getInstance(){`
20. `return MyEnumSingleton.singletonFactory.getInstance();`
21. `}`
22. `}`
23.  
24. `class MySingleton{//需要获实现单例的类，比如数据库连接Connection`
25. `public MySingleton(){}`
26. `}`
27.

验证单例实现的代码如下：

1.  `package org.mlinge.s10;`
2.   
3.  `public class MyThread extends Thread{`
4.   
5.  `@Override`
6.  `public void run() {`
7.  `System.out.println(ClassFactory.getInstance().hashCode());`
8.  `}`
9.   
10. `public static void main(String[] args) {`
11.  
12. `MyThread[] mts = new MyThread[10];`
13. `for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){`
14. `mts[i] = new MyThread();`
15. `}`
16.  
17. `for (int j = 0; j < mts.length; j++) {`
18. `mts[j].start();`
19. `}`
20. `}`
21. `}`

验证结果：

1.  `1935123450`
2.  `1935123450`
3.  `1935123450`
4.  `1935123450`
5.  `1935123450`
6.  `1935123450`
7.  `1935123450`
8.  `1935123450`
9.  `1935123450`
10. `1935123450`

验证结果表明，完善后的单例实现更为合理。

以上就是本文要介绍的所有单例模式的实现，相信认真阅读的读者都已经明白文章开头所引入的那几个问题了，祝大家读得开心:-D！

**备注：**本文的编写思路和实例源码参照《Java多线程编程核心技术》-（高洪岩）一书中第六章的学习案例撰写。

[Link 1]: http://download.csdn.net/detail/cselmu9/9517202