设计模式系列单例模式

单例模式

确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点

把某个类设计成自己管理的一个单独实例，同时避免其他类再自行产生实例。要想取得单例类的实例，通过单例类是唯一途径。
提供对这个单例类实例的全局访问点

懒汉模式（基于volatile的双重检查锁定的方案）

非线程安全的延迟初始化对象的示例代码：

public class UnsafeLazyInitialization {
  private UnsafeLazyInitialization(){}
  private static UnsafeLazyInitialization instance;
  public static UnsafeLazyInitialization getInstance() {
    if (instance == null) // 1：A线程执行
      instance = new UnsafeLazyInitialization(); // 2：B线程执行
    return instance;
  }
}

在 UnsafeLazyInitialization 类中，假设 A 线程执行代码 1 的同时，B线程执行代码 2。此时，线程 A 可能会看到 instance 引用的对象还没有完成初始化。对于 UnsafeLazyInitialization 类，我们可以对 getInstance() 方法做 同步处理 来实现线程安全的延迟初始化。示例代码如下：

public class SafeLazyInitialization {
  private SafeLazyInitialization(){}
  private static SafeLazyInitialization instance;
  public synchronized static SafeLazyInitialization getInstance() {
    if (instance == null)
      instance = new SafeLazyInitialization();
    return instance;
  }
}

双重检查锁定（Double-Checked Locking）通过双重检查锁定来降低同步的开销。下面是使用双重检查锁定来实现延迟初始化的示例代码。

public class DoubleCheckedLocking { // 1
  private static DoubleCheckedLocking instance; // 2
  public static DoubleCheckedLocking getInstance() { // 3
    if (instance == null) { // 4:第一次检查
      synchronized (DoubleCheckedLocking.class) { // 5:加锁
        if (instance == null) // 6:第二次检查
          instance = new DoubleCheckedLocking(); // 7:问题的根源出在这里
        } // 8
      } // 9
    return instance; // 10
  } // 11

  private DoubleCheckedLocking(){}
}

双重检查锁定存在的问题

多个线程试图在同一时间创建对象时，会通过加锁来保证只有一个线程能创建对象。
在对象创建好之后，执行 getInstance() 方法将不需要获取锁，直接返回已创建好的对象。

双重检查锁定看起来似乎很完美，但这是一个错误的优化！ 在线程执行到第4行，代码读取到instance不为 null 时，instance引用的对象有可能还没有完成初始化

双重检查锁定存在问题的根源

前面的双重检查锁定示例代码的第 7 行（instance = new Singleton();）创建了一个对象。这一行代码可以分解为如下的 3 行伪代码:

memory = allocate();　　 // 1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory);　 // 2：初始化对象
instance = memory;　　  // 3：设置instance指向刚分配的内存地址

上面 3 行伪代码中的 2和 3之间，可能会被重排序（在一些JIT编译器上，这种重排序是真实发生的）。2和3之间重排序之后的执行时序如下:

memory = allocate();　　  // 1：分配对象的内存空间
instance = memory;　　   // 3：设置instance指向刚分配的内存地址
// 注意，此时对象还没有被初始化！
ctorInstance(memory);　 // 2：初始化对象

根据《The Java Language Specification, Java SE 7 Edition》（简称为Java语言规范），所有线程在执行Java程序时必须要遵守线程内语义intra-thread semantics。intra-thread semantics保证重排序不会改变单线程内的程序执行结果。换句话说，intra-thread semantics允许那些在单线程内，不会改变单线程程序执行结果的重排序。上面3行伪代码的2和3之间虽然被重排序了，但这个重排序并不会违反intra-thread semantics。这个重排序在没有改变单线程程序执行结果的前提下，可以提高程序的执行性能。

基于volatile的双重检查锁定的方案

对于前面的基于双重检查锁定来实现延迟初始化的方案（指DoubleCheckedLocking示例代码），只需要做一点小的修改（把instance声明为volatile型），就可以实现线程安全的延迟初始化。请看下面的示例代码：

public class SafeDoubleCheckedLocking {
  private SafeDoubleCheckedLocking(){}
  private volatile static SafeDoubleCheckedLocking instance;
  public static SafeDoubleCheckedLocking getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized (SafeDoubleCheckedLocking.class) {
        if (instance == null)
          instance = new SafeDoubleCheckedLocking(); // instance为volatile，现在没问题了
        }
    }
    return instance;
  }
}

这个解决方案需要JDK 5或更高版本（因为从JDK 5开始使用新的JSR-133内存模型规范，这个规范增强了volatile的语义）

当声明对象的引用为volatile后，上述 3 行伪代码中的2和3之间的重排序，在多线程环境中将会被禁止。

双重检查锁定中volatile的用处？

本质上是通过禁止指令重排序，来保证线程安全的延迟初始化。

饿汉模式（基于类初始化的方案）

public class Instance {
  private Instance(){}
  public static Instance instance = new Instance();
  public static Instance getInstance() {
    return instance ;　　// 这里将导致Instance类被初始化
  }
}

JVM 在类的初始化阶段（即在Class被加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，JVM会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。基于这个特性，可以实现另一种线程安全的延迟初始化方案（这个方案被称之为Initialization On Demand Holder idiom）。

假设两个线程并发执行getInstance()方法，下面是执行的示意图，如下图所示： jvm 这个方案的实质是：允许之前所说的3行伪代码中的2和3重排序，但不允许其他非构造线程“看到”这个重排序。

初始化一个类，包括执行这个类的静态初始化和初始化在这个类中声明的静态字段。根据Java语言规范，在首次发生下列任意一种情况时，一个类或接口类型T将被立即初始化。

T是一个类，而且一个T类型的实例被创建。
T是一个类，且T中声明的一个静态方法被调用。
T中声明的一个静态字段被赋值。
T中声明的一个静态字段被使用，而且这个字段不是一个常量字段。
T是一个顶级类（Top Level Class，见Java语言规范的§7.6），而且一个断言语句嵌套在T 内部被执行。

顶级类：定义在某个类（或接口，下同）内部的类，称为嵌套类（nested class），相应的，其所在的类称之为该类的外围类（enclosing class）或包裹类。非嵌套类称为顶级类（top-level class），一个.java 文件中可以有若干个顶级类（含抽象类和接口），但只能有一个被 public 修饰的类，且该类必须和.java 文件同名。顶级类的访问修饰符只能是 public 和包访问权限（默认权限，无修饰符）。

由于 Java 语言是多线程的，多个线程可能在同一时间尝试去初始化同一个类或接口（比如这里多个线程可能在同一时刻调用getInstance()方法来初始化类）。因此在 Java 中初始化一个类或者接口时，需要做细致的同步处理。

Java语言规范规定，对于每一个类或接口C，都有一个唯一的初始化锁LC与之对应。从C 到LC的映射，由JVM的具体实现去自由实现。JVM在类初始化期间会获取这个初始化锁，并且 每个线程至少获取一次锁来确保这个类已经被初始化过（事实上，Java语言规范允许JVM的具体实现在这里做一些优化）。

对于类或接口的初始化，Java语言规范制定了精巧而复杂的类初始化处理过程。Java初始化一个类或接口的处理过程如下。

第1阶段：通过在Class对象上同步（即获取Class对象的初始化锁），来控制类或接口的初始化。这个获取锁的线程会一直等待，直到当前线程能够获取到这个初始化锁。线程 A 的执行时序为：
1. 尝试获取Class对象的初始化锁，这里假设线程A获取到了初始化锁
2. 线程 A 看到线程还未被初始化（state = uninitiation），线程状态设置为state= initializing
3. 线程 A 释放初始化锁
第2阶段：线程 A 执行类的初始化(执行类的静态初始化和初始化类中声明的静态字段)，同时线程 B 在初始化锁对应的condition上等待。线程B的执行序列如下：
1. 获取类初始化锁
2. 读取到state = initializing
3. 释放初始化锁
4. 线程B在初始化锁的condition中等待
第3阶段：线程A设置state=initialized，然后唤醒在condition中等待的所有线程。线程B的执行序列如下：
第4阶段：线程B结束类的初始化处理。
1. 获取类初始化锁
2. 读取到state = initialized
3. 释放初始化锁
4. 线程B的类初始化处理过程完成
第5阶段：线程C执行类的初始化的处理。
1. 获取类初始化锁
2. 读取到state = initialized
3. 释放初始化锁
4. 线程C的类初始化处理过程完成

在第 3 阶段之后，类已经完成了初始化。因此线程C在第5阶段的类初始化处理过程相对简单一些（前面的线程A和B的类初始化处理过程都经历了两次锁获取-锁释放，而线程C的类初始化处理只需要经历一次锁获取-锁释放）。线程 A 在第2阶段的A1执行类的初始化，并在第3阶段的A4释放初始化锁；线程B在第4阶段的B1获取同一个初始化锁，并在第4阶段的B4之后才开始访问这个类。根据Java内存模型规范的锁规则，这里将存在如下的happens-before关系。这个happens-before关系将保证：线程A执行类的初始化时的写入操作（执行类的静态初始化和初始化类中声明的静态字段），线程B一定能看到。

饿汉模式如果保证多线程安全？

类或接口初始化过程利用类初始化锁进行同步

折中方案

利用了类的初始化线程安全的特性，保证代码简洁。

public class Singleton {
  private static class SingletonHolder {
    private static final Singleton singleton = new Singleton();
    private SingletonHolder() {
    }
  }
  private Singleton() {
  }
  
 
  public static Singleton getInstance() {
    return SingletonHolder.singleton;
  }
}

综述

通过对比基于volatile的双重检查锁定的方案和基于类初始化的方案。基于类初始化的方案能够实现对静态字段实现延迟初始化，而且实现代码更简洁。但基于 volatile 的双重检查锁定的方案有一个额外的优势：除了可以对静态字段实现延迟初始化外，还可以对实例字段实现延迟初始化。

字段延迟初始化降低了初始化类或创建实例的开销，但增加了访问被延迟初始化的字段的开销。在大多数时候，正常的初始化要优于延迟初始化。如果确实需要对实例字段使用线程安全的延迟初始化，请使用上面介绍的基于volatile的延迟初始化的方案；如果确实需要对静态字段使用线程安全的延迟初始化，请使用上面介绍的基于类初始化的方案。

public class InstanceFactory {
  private static class InstanceHolder {
    public static Instance instance = new Instance();
  }
  public static Instance getInstance() {
    return InstanceHolder.instance ;　　// 这里将导致InstanceHolder类被初始化
  }
}

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