Java单例模式

• 在面试的时候，我们常常会被问到这样一个问题：请您写出一个单例模式（Singleton Pattern）吧。好吧，写就写，这还不容易。顺手写一个：

/**
 * 当对象很大时，没有使用这个对象之前就把他它加载到内存就会造成资源浪费（饿汉模式）
 */
public final class Cat {
    private static Cat cat = new Cat();
    
    private Cat(){}
    
    public static Cat getCat() {
        return cat;
    }
}

• 这种写法就是所谓的 饥饿模式，每个对象在没有使用之前就已经初始化了。这就可能带来潜在的性能问题：如果这个对象很大呢？没有使用这个对象之前，就把它加载到了内存中去是一种巨大的浪费。针对这种情况，我们可以对以上的代码进行改进，使用一种新的设计思想—— 延迟加载（Lazy-load Singleton）。

/**
 * 改进
 * 延迟加载对象也就是第一次用到的时候才去创建对象（懒汉模式）
 */
public final class Cat {
    private static Cat cat = null;

    private Cat(){}
    
    //这样写有线程安全问题，比如说A线程进入的到if里面刚刚创建完对象，
    // 这时线程B也进入到if里面，又创建新的对象，人家刚走你就来了，比隔壁老王还快
    public static Cat getCat() {
        if (cat == null) {
            cat = new Cat();
        } 
        return cat;
    }
}

• 这种写法就是所谓的 懒汉模式。它使用了延迟加载来保证对象在没有使用之前，是不会进行初始化的。但是，通常这个时候面试官又会提问新的问题来刁难一下。他会问：这种写法线程安全吗？回答必然是：不安全。这是因为在多个线程可能同时运行到if里面，判断cat为null，于是同时进行了初始化。所以，这是面临的问题是如何使得这个代码线程安全？很简单，在那个方法前面加一个Synchronized就OK了。

/**
     * 我们继续改进
     * 延迟加载对象也就是第一次用到的时候才去创建对象（懒汉模式）
     */
    public final class Cat {
        private static Cat cat = null;

        private Cat(){}
        //同步的代价必然会一定程度的使程序的并发度降低。
        //有没有什么方法，一方面是线程安全的，有可以有很高的并发度呢？
        public static synchronized Cat getCat() {
            if (cat == null) {
                cat = new Cat();
            } 
            return cat;
        }
    }    

• 写到这里，面试官可能仍然会狡猾的看了你一眼，继续刁难到：这个写法有没有什么性能问题呢？答案肯定是有的！同步的代价必然会一定程度的使程序的并发度降低。那么有没有什么方法，一方面是线程安全的，有可以有很高的并发度呢？我们观察到，线程不安全的原因其实是在初始化对象的时候，所以，可以想办法把同步的粒度降低，只在初始化对象的时候进行同步。这里有必要提出一种新的设计思想—— 双重检查锁（Double-Checked Lock）。

/**
 * 我们还得继续改进
 * 延迟加载对象也就是第一次用到的时候才去创建对象（懒汉模式）
 */
public final class Cat {
    private static Cat cat = null;

    private Cat() {
    }

    //线程不安全的原因其实是在初始化对象的时候
    //所以可以想办法把同步的粒度降低，只在初始化对象的时候进行同步。(细粒度锁)
    public static Cat getCat() {
        if (cat == null) {
            synchronized (Cat.class) {
                if (cat == null) {
                    cat = new Cat();
                }
            }
        }
        return cat;
    }
}

• 这种写法使得只有在加载新的对象进行同步，在加载完了之后，其他线程在第一个if就可以判断跳过锁的的代价直接到return cat。做到了很好的并发度。
  至此，上面的写法一方面实现了Lazy-Load，另一个方面也做到了并发度很好的线程安全，一切看上很完美。这时，面试官可能会对你的回答满意的点点头。但是，你此时提出说，其实这种写法还是有问题的！！问题在哪里？假设线程A执行到了第一个if，它判断对象为空，于是线程A执行到cat = new Cat()，去初始化这个对象，但初始化是需要耗费时间的，但是这个对象的地址其实已经存在了。此时线程B也执行到了第一个if，它判断不为空，于是直接跳到return cat得到了这个对象。但是，这个对象还 没有被完整的初始化！得到一个没有初始化完全的对象有什么用！！关于这个Double-Checked Lock的讨论有很多，目前公认这是一个Anti-Pattern，不推荐使用！所以当你的面试官听到你的这番答复，他会不会被Hold住呢？

• 那么有没有什么更好的写法呢？有！这里又要提出一种新的模式—— Initialization on Demand Holder. 这种方法使用内部类来做到延迟加载对象，在初始化这个内部类的时候，JLS(Java Language Sepcification)会保证这个类的线程安全。这种写法最大的美在于，完全使用了Java虚拟机的机制进行同步保证，没有一个同步的关键字。

/**
 * 我们还得继续继续改进
 * 延迟加载对象也就是第一次用到的时候才去创建对象（懒汉模式）
 */
public final class Cat {

    private static class CatHolder{
        public final static Cat cat=new Cat();
    }

    //使用内部类来做到延迟加载对象，在初始化这个内部类的时候，
    // JLS(Java Language Sepcification)会保证这个类的线程安全。
    public static Cat getCat(){
        return  CatHolder.cat;
    }

}

• 当一个类被JVM加载，这个类就会历经初始化的过程。由于该类没有任何静态变量的初始化，初始化就会顺利完成。而定义在类里面的静态类CatHolder直到JVM确定CatHolder一定会被执行时才会去初始化。也就是当静态方法getCat调用时，静态类CatHolder才会被执行，而当这件事第一次发生时，JVM才会去加载并初始化CatHolder。CatHolder 初始化时，就会初始化静态变量cat，就会执行外部类私有的构造器并赋值给cat。
  由于类的初始化过程是串行的（JLS），就不会同时发生，也不需要同步操作。
  并且，因为初始化阶段在串行操作里写入静态变量cat，所有接下来的并行调用cat方法会正确返回相同的cat，而不需要额外的同步开销。

• 这种线程安全的、无需synchronization的、且比无竞争的同步高效的单例模式，只能应用在构造函数保证不会失败的情况。

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文献参考：
https://my.oschina.net/looly/blog/152865
https://www.cnblogs.com/fuyoucaoyu/p/6547715.html