高併發下線程安全的單例模式（最全最經典，值得收藏）

作者：mlinge-奮鬥吧

blog.csdn.net/cselmu9/article/details/51366946

在所有的設計模式中，單例模式是我們在項目開發中最為常見的設計模式之一，而單例模式有很多種實現方式，你是否都瞭解呢？高併發下如何保證單例模式的線程安全性呢？如何保證序列化後的單例對象在反序列化後仍然是單例的呢？這些問題在看了本文之後都會一一的告訴你答案，趕快來閱讀吧！

什麼是單例模式?

在文章開始之前我們還是有必要介紹一下什麼是單例模式。單例模式是為確保一個類只有一個實例，併為整個系統提供一個全局訪問點的一種模式方法。

從概念中體現出了單例的一些特點：

• 在任何情況下，單例類永遠只有一個實例存在
• 單例需要有能力為整個系統提供這一唯一實例

為了便於讀者更好的理解這些概念，下面給出這麼一段內容敘述：

在計算機系統中，線程池、緩存、日誌對象、對話框、打印機、顯卡的驅動程序對象常被設計成單例。這些應用都或多或少具有資源管理器的功能。每臺計算機可以有若干個打印機，但只能有一個Printer Spooler，以避免兩個打印作業同時輸出到打印機中。

每臺計算機可以有若干通信端口，系統應當集中管理這些通信端口，以避免一個通信端口同時被兩個請求同時調用。總之，選擇單例模式就是為了避免不一致狀態，避免政出多頭。

正是由於這個特點，單例對象通常作為程序中的存放配置信息的載體，因為它能保證其他對象讀到一致的信息。

例如在某個服務器程序中，該服務器的配置信息可能存放在數據庫或文件中，這些配置數據由某個單例對象統一讀取，服務進程中的其他對象如果要獲取這些配置信息，只需訪問該單例對象即可。

這種方式極大地簡化了在複雜環境 下，尤其是多線程環境下的配置管理，但是隨著應用場景的不同，也可能帶來一些同步問題。

1、餓漢式單例

餓漢式單例是指在方法調用前，實例就已經創建好了。

以上代碼運行結果：

<code>
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
/<code>

從運行結果可以看出實例變量額hashCode值一致，這說明對象是同一個，餓漢式單例實現了。

2、懶漢式單例

懶漢式單例是指在方法調用獲取實例時才創建實例，因為相對餓漢式顯得“不急迫”，所以被叫做“懶漢模式”。

下面是實現代碼：

<code>
package
 org.mlinge.s02;

public
  
class
 
MySingleton
 
{

    
private
 
static
 MySingleton instance = 
null
;

    
private
 
MySingleton
()
{}

    
public
 
static
 MySingleton 
getInstance
()
 
{
        
if
(instance == 
null
){ 
            instance = 
new
 MySingleton();
        }
        
return
 instance;
    }
}/<code>

這裡實現了懶漢式的單例，但是熟悉多線程併發編程的朋友應該可以看出，在多線程併發下這樣的實現是無法保證實例實例唯一的，甚至可以說這樣的失效是完全錯誤的，下面我們就來看一下多線程併發下的執行情況，這裡為了看到效果，我們對上面的代碼做一小點修改：

執行結果如下：

<code>
1210420568
1210420568
1935123450
1718900954
1481297610
1863264879
369539795
1210420568
1210420568
602269801
/<code>

從這裡執行結果可以看出，單例的線程安全性並沒有得到保證，那要怎麼解決呢？

3、線程安全的懶漢式單例

要保證線程安全，我們就得需要使用同步鎖機制，下面就來看看我們如何一步步的解決 存在線程安全問題的懶漢式單例（錯誤的單例）。

1.方法中聲明synchronized關鍵字

出現非線程安全問題，是由於多個線程可以同時進入getInstance()方法，那麼只需要對該方法進行synchronized的鎖同步即可：

此時仍然使用前面驗證多線程下執行情況的MyThread類來進行驗證，將其放入到org.mlinge.s03包下運行，執行結果如下：

<code>
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373 

1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
/<code>

從執行結果上來看，問題已經解決了，但是這種實現方式的運行效率會很低。同步方法效率低，那我們考慮使用同步代碼塊來實現：

2.同步代碼塊實現

這裡的實現能夠保證多線程併發下的線程安全性，但是這樣的實現將全部的代碼都被鎖上了，同樣的效率很低下。

3.針對某些重要的代碼來進行單獨的同步（可能非線程安全）

針對某些重要的代碼進行單獨的同步，而不是全部進行同步，可以極大的提高執行效率，我們來看一下：

此時同樣使用前面驗證多線程下執行情況的MyThread類來進行驗證，將其放入到org.mlinge.s04包下運行，執行結果如下：

<code>
1481297610
397630378
1863264879
1210420568
1935123450
369539795
590202901
1718900954
1689058373
602269801
/<code>

從運行結果來看，這樣的方法進行代碼塊同步，代碼的運行效率是能夠得到提升，但是卻沒能保住線程的安全性。看來還得進一步考慮如何解決此問題。推薦：設計模式內容聚合

4.Double Check Locking 雙檢查鎖機制（推薦）

為了達到線程安全，又能提高代碼執行效率，我們這裡可以採用DCL的雙檢查鎖機制來完成，代碼實現如下：

將前面驗證多線程下執行情況的MyThread類放入到org.mlinge.s05包下運行，執行結果如下：

<code>
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
 
369539795
369539795
369539795
/<code>

從運行結果來看，該中方法保證了多線程併發下的線程安全性。

這裡在聲明變量時使用了volatile關鍵字來保證其線程間的可見性；在同步代碼塊中使用二次檢查，以保證其不被重複實例化。集合其二者，這種實現方式既保證了其高效性，也保證了其線程安全性。

4、使用靜態內置類實現單例模式

DCL解決了多線程併發下的線程安全問題，其實使用其他方式也可以達到同樣的效果，代碼實現如下：

<code>
package
 org.mlinge.s06;

public
 
class
 
MySingleton
 
{

     
    
private
 
static
 
class
 
MySingletonHandler 
{
        
private
 
static
 MySingleton instance = 
new
 MySingleton();
    } 

    
private
 
MySingleton
()
{}

    
public
 
static
 MySingleton 
getInstance
()
 
{ 
        
return
 MySingletonHandler.instance;
    }
}/<code>

以上代碼就是使用靜態內置類實現了單例模式，這裡將前面驗證多線程下執行情況的MyThread類放入到org.mlinge.s06包下運行，執行結果如下：

<code>
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954 

1718900954
1718900954
1718900954
/<code>

從運行結果來看，靜態內部類實現的單例在多線程併發下單個實例得到了保證。

5、序列化與反序列化的單例模式實現

靜態內部類雖然保證了單例在多線程併發下的線程安全性，但是在遇到序列化對象時，默認的方式運行得到的結果就是多例的。

代碼實現如下：

<code>
package
 org.mlinge.s07;

import
 java.io.Serializable;

public
 
class
 
MySingleton
 
implements
 
Serializable
 
{

    
private
 
static
 
final
  
long
 serialVersionUID = 
1L
;

     
    
private
 
static
 
class
 
MySingletonHandler
{
        
private
 
static
 MySingleton instance = 
new
 MySingleton();
    } 

    
private
 
MySingleton
()
{}

    
public
 
static
 MySingleton 
getInstance
()
 
{ 
        
return
 MySingletonHandler.instance;
    }
}/<code>

序列化與反序列化測試代碼：

<code>package org.mlinge.s07;

import
 java.io.File;
import
 java.io.FileInputStream;
import 
 java.io.FileNotFoundException;
import
 java.io.FileOutputStream;
import
 java.io.IOException;
import
 java.io.ObjectInputStream;
import
 java.io.ObjectOutputStream;

public
 
class
 
SaveAndReadForSingleton
 
{

    
public
 
static
 void main(
String
[] args) {
        
MySingleton
 singleton = 
MySingleton
.getInstance();

        
File
 file = new 
File
(
"MySingleton.txt"
);

        
try
 {
            
FileOutputStream
 fos = new 
FileOutputStream
(file);
            
ObjectOutputStream
 oos = new 
ObjectOutputStream
(fos);
            oos.writeObject(singleton);
            fos.close();
            oos.close();
            
System
.out.
println
(singleton.hashCode());
        } 
catch
 (
FileNotFoundException 
 e) { 
            e.printStackTrace();
        } 
catch
 (
IOException
 e) { 
            e.printStackTrace();
        }

        
try
 {
            
FileInputStream
 fis = new 
FileInputStream
(file);
            
ObjectInputStream
 ois = new 
ObjectInputStream
(fis);
            
MySingleton
 rSingleton = (
MySingleton
) ois.readObject();
            fis.close();
            ois.close();
            
System
.out.
println
(rSingleton.hashCode());
        } 
catch
 (
FileNotFoundException
 e) { 
            e.printStackTrace();
        } 
catch
 (
IOException
 e) { 
            e.printStackTrace();
        } 
catch
 (
ClassNotFoundException
 e) { 
            e.printStackTrace();
        }

    }
}/<code>

運行以上代碼，得到的結果如下：

<code>
865113938
1442407170
/<code>

從結果中我們發現，序列號對象的hashCode和反序列化後得到的對象的hashCode值不一樣，說明反序列化後返回的對象是重新實例化的，單例被破壞了。那怎麼來解決這一問題呢？

解決辦法就是在反序列化的過程中使用readResolve()方法，單例實現的代碼如下：

<code>
package
 org.mlinge.s07;

import
 java.io.ObjectStreamException;
import
 java.io.Serializable;

public
 
class
 
MySingleton
 
implements
 
Serializable
 
{

    
private
 
static
 
final
 
long
 serialVersionUID = 
1L
;

     
    
private
 
static
 
class
 
MySingletonHandler
{
        
private
 
static
 MySingleton instance = 
new 
 MySingleton();
    } 

    
private
 
MySingleton
()
{}

    
public
 
static
 MySingleton 
getInstance
()
 
{ 
        
return
 MySingletonHandler.instance;
    }

     
    
protected
 Object 
readResolve
()
 
throws
 ObjectStreamException 
{
        System.out.println(
"調用了readResolve方法！"
);
        
return
 MySingletonHandler.instance; 
    }
}/<code>

再次運行上面的測試代碼，得到的結果如下：

<code>
865113938
調用了readResolve方法！
865113938
/<code>

從運行結果可知，添加readResolve方法後反序列化後得到的實例和序列化前的是同一個實例，單個實例得到了保證。

6、使用static代碼塊實現單例

靜態代碼塊中的代碼在使用類的時候就已經執行了，所以可以應用靜態代碼塊的這個特性的實現單例設計模式。

<code>
package
 org.mlinge.s08;

public
 
class
 
MySingleton
{

    
private
 
static
 MySingleton instance = 
null
;

    
private
 
MySingleton
()
{}

    
static
{
        instance = 
new
 MySingleton();
    }

    
public
 
static
 MySingleton 
getInstance
()
 
{ 
        
return 
 instance;
    } 
}/<code>

測試代碼如下：

<code>
package
 org.mlinge.s08;

public
 
class
 
MyThread
 
extends
 
Thread
{

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

    
public
 
static
 
void
 
main
(String[] args)
 
{ 

        MyThread[] mts = 
new
 MyThread[
3 
];
        
for
(
int
 i = 
0
 ; i new MyThread();
        }

        
for
 (
int
 j = 
0
; j /<code>

運行結果如下：

<code>
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
/<code>

從運行結果看，單例的線程安全性得到了保證。

7、使用枚舉數據類型實現單例模式

枚舉enum和靜態代碼塊的特性相似，在使用枚舉時，構造方法會被自動調用，利用這一特性也可以實現單例：

<code>
package
 org.mlinge.s09;

public
 
enum
 EnumFactory{ 

    singletonFactory;

    
private
 MySingleton instance;

    
private
 
EnumFactory
()
{ 
        instance = 
new
 MySingleton();
    }

    
public
 MySingleton 
getInstance
()
{
        
return
 instance;
    }

}

class
 
MySingleton
{ 
    
public
 
MySingleton 
()
{} 
}/<code>

測試代碼如下：

<code>
package
 org.mlinge.s09;

public
 
class
 
MyThread
 
extends
 
Thread
{

     
    
public
 
void
 
run
()
 
{ 
        System.out.println(EnumFactory.singletonFactory.getInstance().hashCode());
    }

    
public
 
static
 
void
 
main
(String[] args)
 
{ 

        MyThread[] mts = 
new
 MyThread[
10
];
        
for
( 
int
 i = 
0
 ; i new MyThread();
        }

        
for
 (
int
 j = 
0
; j /<code>

執行後得到的結果：

<code>
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
/<code>

運行結果表明單例得到了保證，但是這樣寫枚舉類被完全暴露了，據說違反了“職責單一原則”，那我們來看看怎麼進行改造呢。

8、完善使用enum枚舉實現單例模式

不暴露枚舉類實現細節的封裝代碼如下：

<code>
package
 org.mlinge.s10;

public
 
class
 
ClassFactory
{ 

    
private
 
enum
 MyEnumSingleton{
        singletonFactory;

        
private
 MySingleton instance;

        
private
 
MyEnumSingleton
()
{ 
            instance = 
new
 MySingleton();
        }

        
public
 MySingleton 
getInstance
()
{
            
return
 instance;
        }
    } 

    
public
 
static
 MySingleton 
getInstance
()
{
        
return
 MyEnumSingleton.singletonFactory.getInstance();
    }
}

 
class
 
MySingleton
{ 
    
public
 
MySingleton
()
{} 
}/<code>

驗證單例實現的代碼如下：

<code>
package
 org.mlinge.s10;

public
 
class
 
MyThread
 
extends
 
Thread
{

     
    
public
 
void
 
run
()
 
{ 
        System.out.println(ClassFactory.getInstance().hashCode());
    }

    
public
 
static
 
void
 
main 
(String[] args)
 
{ 

        MyThread[] mts = 
new
 MyThread[
10
];
        
for
(
int
 i = 
0
 ; i new MyThread();
        }

        
for
 (
int
 j = 
0
; j /<code>

驗證結果：

<code>
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
/<code>

驗證結果表明，完善後的單例實現更為合理。

以上就是本文要介紹的所有單例模式的實現，相信認真閱讀的讀者都已經明白文章開頭所引入的那幾個問題了，祝大家讀得開心:-D！

備註：本文的編寫思路和實例源碼參照《Java多線程編程核心技術》-（高洪巖）一書中第六章的學習案例撰寫。