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高并发下线程安全的单例模式（最全最经典）

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高并发下线程安全的单例模式（最全最经典）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！

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

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，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：

package org.mlinge.s01;

public class MySingleton {
	
	private static MySingleton instance = new MySingleton();
	
	private MySingleton(){}
	
	public static MySingleton getInstance() {
		return instance;
	}
	
}

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： 

package org.mlinge.s01;

public class MyThread extends Thread{
  	
	@Override
	public void run() { 
		System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());
	}
	
	public static void main(String[] args) { 
		
		MyThread[] mts = new MyThread[10];
		for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
			mts[i] = new MyThread();
		}
		
		for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
			mts[j].start();
		}
	}
}

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：

package org.mlinge.s02;

public class MySingleton {
	
	private static MySingleton instance = null;
	
	private MySingleton(){}
	
	public static MySingleton getInstance() {
		if(instance == null){//懒汉式
			instance = new MySingleton();
		}
		return instance;
	}
}

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： 

package org.mlinge.s02;

public class MySingleton {
	
	private static MySingleton instance = null;
	
	private MySingleton(){}
	
	public static MySingleton getInstance() {
		try { 
			if(instance != null){//懒汉式 
				
			}else{
				//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作 
				Thread.sleep(300);
				instance = new MySingleton();
			}
		} catch (InterruptedException e) { 
			e.printStackTrace();
		}
		return instance;
	}
}

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： 

package org.mlinge.s02;

public class MyThread extends Thread{
  	
	@Override
	public void run() { 
		System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());
	}
	
	public static void main(String[] args) { 
		
		MyThread[] mts = new MyThread[10];
		for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
			mts[i] = new MyThread();
		}
		
		for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
			mts[j].start();
		}
	}
}

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：

package org.mlinge.s03;

public class MySingleton {
	
	private static MySingleton instance = null;
	
	private MySingleton(){}
	
	public synchronized static MySingleton getInstance() {
		try { 
			if(instance != null){//懒汉式 
				
			}else{
				//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作 
				Thread.sleep(300);
				instance = new MySingleton();
			}
		} catch (InterruptedException e) { 
			e.printStackTrace();
		}
		return instance;
	}
}

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

package org.mlinge.s03;

public class MySingleton {
	
	private static MySingleton instance = null;
	
	private MySingleton(){}
	
	//public synchronized static MySingleton getInstance() {
	public static MySingleton getInstance() {
		try { 
			synchronized (MySingleton.class) {
				if(instance != null){//懒汉式 
					
				}else{
					//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作 
					Thread.sleep(300);
					instance = new MySingleton();
				}
			}
		} catch (InterruptedException e) { 
			e.printStackTrace();
		}
		return instance;
	}
}

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：

package org.mlinge.s04;

public class MySingleton {
	
	private static MySingleton instance = null;
	
	private MySingleton(){}
	 
	public static MySingleton getInstance() {
		try {  
			if(instance != null){//懒汉式 
				
			}else{
				//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作 
				Thread.sleep(300);
				synchronized (MySingleton.class) {
					instance = new MySingleton();
				}
			} 
		} catch (InterruptedException e) { 
			e.printStackTrace();
		}
		return instance;
	}
}

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：

package org.mlinge.s05;

public class MySingleton {
	
	//使用volatile关键字保其可见性
	volatile private static MySingleton instance = null;
	
	private MySingleton(){}
	 
	public static MySingleton getInstance() {
		try {  
			if(instance != null){//懒汉式 
				
			}else{
				//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作 
				Thread.sleep(300);
				synchronized (MySingleton.class) {
					if(instance == null){//二次检查
						instance = new MySingleton();
					}
				}
			} 
		} catch (InterruptedException e) { 
			e.printStackTrace();
		}
		return instance;
	}
}

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：

369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
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：

package org.mlinge.s06;

public class MySingleton {
	
	//内部类
	private static class MySingletonHandler{
		private static MySingleton instance = new MySingleton();
	} 
	
	private MySingleton(){}
	 
	public static MySingleton getInstance() { 
		return MySingletonHandler.instance;
	}
}

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：

1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
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：

package org.mlinge.s07;

import java.io.Serializable;

public class MySingleton implements Serializable {
	 
	private static final long serialVersionUID = 1L;

	//内部类
	private static class MySingletonHandler{
		private static MySingleton instance = new MySingleton();
	} 
	
	private MySingleton(){}
	 
	public static MySingleton getInstance() { 
		return MySingletonHandler.instance;
	}
}

序列化与反序列化测试代码： 

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();
		}
		
	}
}

运行以上代码，得到的结果如下： 

865113938
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： 

package org.mlinge.s07;

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

public class MySingleton implements Serializable {
	 
	private static final long serialVersionUID = 1L;

	//内部类
	private static class MySingletonHandler{
		private static MySingleton instance = new MySingleton();
	} 
	
	private MySingleton(){}
	 
	public static MySingleton getInstance() { 
		return MySingletonHandler.instance;
	}
	
	//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
	protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {
		System.out.println("调用了readResolve方法！");
		return MySingletonHandler.instance; 
	}
}

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。

package org.mlinge.s08;

public class MySingleton{
	 
	private static MySingleton instance = null;
	 
	private MySingleton(){}

	static{
		instance = new MySingleton();
	}
	
	public static MySingleton getInstance() { 
		return instance;
	} 
}

测试代码如下： 

package org.mlinge.s08;

public class MyThread extends Thread{
  	
	@Override
	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 < mts.length ; i++){
			mts[i] = new MyThread();
		}
		
		for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
			mts[j].start();
		}
	}
}

运行结果如下： 

1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
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：

package org.mlinge.s09;

public enum EnumFactory{ 
    
    singletonFactory;
    
    private MySingleton instance;
    
    private EnumFactory(){//枚举类的构造方法在类加载是被实例化
        instance = new MySingleton();
    }
        
    public MySingleton getInstance(){
        return instance;
    }
    
}

class MySingleton{//需要获实现单例的类，比如数据库连接Connection
    public MySingleton(){} 
}

测试代码如下： 

package org.mlinge.s09;

public class MyThread extends Thread{
  	
	@Override
	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 < mts.length ; i++){
			mts[i] = new MyThread();
		}
		
		for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
			mts[j].start();
		}
	}
}

执行后得到的结果：

1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
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： 

package org.mlinge.s10;

public class ClassFactory{ 
	
	private enum MyEnumSingleton{
		singletonFactory;
		
		private MySingleton instance;
		
		private MyEnumSingleton(){//枚举类的构造方法在类加载是被实例化
			instance = new MySingleton();
		}
 
		public MySingleton getInstance(){
			return instance;
		}
	} 
 
	public static MySingleton getInstance(){
		return MyEnumSingleton.singletonFactory.getInstance();
	}
}

class MySingleton{//需要获实现单例的类，比如数据库连接Connection
	public MySingleton(){} 
}

验证单例实现的代码如下： 

package org.mlinge.s10;

public class MyThread extends Thread{
  	
	@Override
	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 < mts.length ; i++){
			mts[i] = new MyThread();
		}
		
		for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
			mts[j].start();
		}
	}
}

验证结果： 

1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
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。

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