[Java知识库]单例模式（详解）

饿汉式

/**
 * 饿汉式
 * 类加载到内存后，就是实例化一个单例，JVM保证线程安全
 * 简单使用：推荐使用
 * 唯一缺点：不管用与不用，类加载时就会完成实例化
 */
public class Demo01 {
	//开始先新建一个对象
    private static final Demo01 INSTANCE = new Demo01();
	//构造
    private Demo01(){};
	//调用 getInstance 方法时返回 INSTANCE，唯一创建的对象
    public static Demo01 getInstance(){
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo01 m1 = Demo01.getInstance();
        Demo01 m2 = Demo01.getInstance();
        //结果为true
        System.out.println(m1 == m2);
    }
}

单例模式（饿汉式）优点：饿汉式是典型的空间换时间，当类装载的时候就会创建类实例，不管你用不用，先创建出来，然后每次调用的时候，就不需要再判断了，节省了运行时间。
缺点：不管用与不用，类加载时就会完成实例化，会浪费一定的内存空间
改进方法：让对象在使用的时候在进行创建。------>  懒汉式

懒汉式

/**
 * 懒汉式
 * 类加载到内存后，就是实例化一个单例，JVM保证线程不安全
 * 唯一缺点：虽然达到了按需的目的，但却带来线程不安全问题
 */
public class Demo02 {
    private static Demo02 INSTANCE ;

    private Demo02(){};

    public static Demo02 getInstance(){
        //判断 INSTANCE 是否为空
       if(INSTANCE == null){
           try{
               Thread.sleep(1);
           }catch (InterruptedException e){
               e.printStackTrace();
           }
           INSTANCE = new Demo02();
       }
       return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0 ; i < 100 ; i++){
            new Thread(()->
            //输出该对象的hashcode值，通过对比值是否相等来判断是不是唯一的对象
                    System.out.println(Demo02.getInstance().hashCode())
            ).start();
        }
    }
}

单例模式（懒汉式）优点：懒汉式是典型的时间换空间，也就是每次获取实例都会进行判断，看是否需要创建实例，浪费判断的时间。当然，如果一直没有人使用的话，那就不会创建实例，则节约内存空间。
缺点：懒汉式在多个线程进行访问时有可能会出现多个不同的对象。
改进方法：对创建方法getInstance加锁    ------>   懒汉式（加锁synchronized）

懒汉式（加锁synchronized）

/**
 * 懒汉式(加锁)
 * 类加载到内存后，就是实例化一个单例，给创建对象的方法的加锁，JVM保证线程安全
 * 唯一缺点：虽然加锁之后可以保证线程是安全的，但会使得整个方法变慢。
 */
public class Demo03 {
    private static Demo03 INSTANCE ;

    private Demo03(){};
    //方法加锁
    public static synchronized Demo03 getInstance(){
        //业务逻辑
        //判断 INSTANCE 是否为空
       if(INSTANCE == null){
           try{
               Thread.sleep(1);
           }catch (InterruptedException e){
               e.printStackTrace();
           }
           INSTANCE = new Demo03();
       }
       return INSTANCE;
    }

    public void m(){
        System.out.println("m");
    }

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0 ; i < 100 ; i++){
            new Thread(()->
                    System.out.println(Demo03.getInstance().hashCode())
            ).start();
        }
    }
}

单例模式（懒汉式（加锁））优点：懒汉式（加锁）可以保证线程的安全性，但是当上锁的方法getInstance中存在业务逻辑代码时，会拉低整个对象创建过程中速度。
缺点：对整个方法加锁，降低了方法运行的时间
改进方法：对创建方法的程序块进行上锁，业务逻辑代码部分不上锁  -------->懒汉式（部分加锁synchronized）

懒汉式（部分加锁synchronized）

/**
 * 懒汉式(部分加锁)
 * 类加载到内存后，就是实例化一个单例，给创建对象的方法的部分加锁，降低时间
 */
public class Demo04 {
    private static Demo04 INSTANCE ;

    private Demo04(){};
    //方法加锁
    public static Demo04 getInstance(){
        //业务逻辑
        //判断 INSTANCE 是否为空
       if(INSTANCE == null){
           //对方法的部分代码块进行上锁
           synchronized (Demo04.class){
               try{
                   Thread.sleep(1);
               }catch (InterruptedException e){
                   e.printStackTrace();
               }
               INSTANCE = new Demo04();
           }
       }
       return INSTANCE;
    }

    public void m(){
        System.out.println("m");
    }

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0 ; i < 100 ; i++){
            new Thread(()->
                    System.out.println(Demo04.getInstance().hashCode())
            ).start();
        }
    }
}

单例模式（部分加锁懒汉式）优点：加快了程序的运行，只对创建对象的部分进行加锁
缺点：通过if判断后会有多个线程在等待线程资源，等第一个线程执行完成后还会进行第二个线程创建对象。
改进方法：加入两层if判断可以防止该问题出现 -------->双层检查锁

懒汉式（DCL）

/**
 * 懒汉式(DCL)
 * Double Check Lock
 */
public class Demo04 {
    private static Demo04 INSTANCE ;

    private Demo04(){};
    //方法加锁
    public static Demo04 getInstance(){
        //业务逻辑
        //判断 INSTANCE 是否为空
       if(INSTANCE == null){
           //对方法的部分代码块进行上锁
           synchronized (Demo04.class){
               //再次进行判断，检查 INSTANCE 是否为空
               if(INSTANCE == null){
                   try{
                       Thread.sleep(1);
                   }catch (InterruptedException e){
                       e.printStackTrace();
                   }
               }
               INSTANCE = new Demo04();
           }
       }
       return INSTANCE;
    }

    public void m(){
        System.out.println("m");
    }

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0 ; i < 100 ; i++){
            new Thread(()->
                    System.out.println(Demo04.getInstance().hashCode())
            ).start();
        }
    }
}

单例模式（懒汉式DCL）优点：加快了对象创建的时间，同时保证了线程的安全性。
缺点：当对象发生指令重排时，第二个线程虽然拿到了对象，但是是拿到的不完整的对象，容易出现问题
改进方法：给该方法加上volatile关键字进行上锁可以防止指令重排问题。

延伸一下：为什么要用两层if判断呢？
答：因为使用两层if可以提高方法的运行速度，因为if判断消耗的时间较少，但是synchronized 消耗的时间却很大。在外面加上一层if，可以帮助过滤掉很多线程访问。

懒汉式（DCL）最终版

/**
 * 懒汉式(DCL)
 * Double Check Lock
 */
public class Demo04 {
    private static volatile Demo04 INSTANCE ;

    private Demo04(){};
    //方法加锁
    public static Demo04 getInstance(){
        //业务逻辑
        //判断 INSTANCE 是否为空
       if(INSTANCE == null){
           //对方法的部分代码块进行上锁
           synchronized (Demo04.class){
               //再次进行判断，检查 INSTANCE 是否为空
               if(INSTANCE == null){
                   try{
                       Thread.sleep(1);
                   }catch (InterruptedException e){
                       e.printStackTrace();
                   }
               }
               INSTANCE = new Demo04();
           }
       }
       return INSTANCE;
    }

    public void m(){
        System.out.println("m");
    }

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0 ; i < 100 ; i++){
            new Thread(()->
                    System.out.println(Demo04.getInstance().hashCode())
            ).start();
        }
    }
}

对 INSTANCE 进行上锁可以防止指令重排，保证对象的完整性。
延伸：DCL模式为什么要加上volatile ？
答：我们要从java对象创建过程和CPU乱序执行两个方面考虑。

java对象创建过程可分为：

1：内存中分配空间

2：初始化对象

3：变量与对象关联

当发生指令重排是顺序变为

1：内存中分配空间

3：变量与对象关联

2：初始化对象

当第一个线程访问时，发生指令重排，对象刚创建一半，还未对对象内部的值进行初始化赋值。此时第二个线程进行访问，此时他读取到的就是创建到一半的对象，初始化为空的对象。最终就会导致对象不完整。

静态内部类

加载外部类时不会加载内部类，只有第一次调用getInstance方法时，JVM才加载 Singleton04Holder 并初始化INSTANCE ，只有一个线程可以获得对象的初始化锁，其他线程无法进行初始化，保证对象的唯一性。

public class Demo04 {
    private Demo04 () {
    }

    private static class Demo04Holder {
        private final static Demo04 INSTANCE = new Demo04 ();
    }

    public static Demo04 getInstance() {
        return Demo04Holder.INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for(int i=0; i<100; i++) {
            new Thread(()->{
                System.out.println(Demo04.getInstance().hashCode());
            }).start();
        }
    }
}