高并发下线程安全的单例模式（最全最经典，值得收藏）

作者：mlinge-奋斗吧

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

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仍然是单例的呢？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：

• 在任何情况下，单例类永远只有一个实例存在
• 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。

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。

以上代码运行结果：

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

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：

<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>

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：

执行结果如下：

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

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：

此时仍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：

<code>
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373 

1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
/<code>

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

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：

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：

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

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。推荐：设计模式内容聚合

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：

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：

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

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：

<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：

<code>
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954 

1718900954
1718900954
1718900954
/<code>

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：

<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>

序列化与反序列化测试代码：

<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>

运行以上代码，得到的结果如下：

<code>
865113938
1442407170
/<code>

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：

<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(
"调用了readResolve方法！"
);
        
return
 MySingletonHandler.instance; 
    }
}/<code>

再次运行上面的测试代码，得到的结果如下：

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

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。

<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>

测试代码如下：

<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>

运行结果如下：

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

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：

<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>

测试代码如下：

<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>

执行后得到的结果：

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

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：

<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>

验证单例实现的代码如下：

<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>

验证结果：

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

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。