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不要让你的单身人士崩溃！下面是如何在 Java 中使其线程安全

Patricia Arquette

发布： 2024-11-02 09:55:02

原创

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Don’t Let Your Singleton Break! Here’s How to Make It % Thread-Safe in Java

在这篇文章中，我们将探索在 Java 中实现线程安全单例的几种方法，包括热切初始化、双重检查锁定 和 内部静态类 方法。我们还将讨论为什么 Final 关键字有利于确保单例的完整性。

为什么使用单例？

当您在整个应用程序中恰好需要类的一个实例时，单例非常有用。常见用例包括管理共享资源，例如日志记录、配置或连接池。单例确保访问一个类的多个请求共享同一个实例，而不是创建新实例。

1. 热切初始化：最简单的单例

急切初始化模式在类加载时创建单例实例。这很简单并且确保了线程安全，因为实例是在 JVM 加载类时创建的。

public final class Singleton {
    // Instance is created at class loading time
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // Private constructor prevents instantiation from other classes
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

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热切初始化的优点和缺点

优点：

默认情况下简单且线程安全，因为 JVM 保证类初始化是线程安全的。
无需同步或额外的复杂性。

缺点：

无论是否使用实例都会创建，如果永远不需要单例，这可能会导致资源浪费。

何时使用它：当单例类是轻量级的并且您确定它将在应用程序运行时使用它时，热切初始化是最好的。

2.带有双重检查锁定的延迟初始化

如果您想要延迟创建单例直到需要时（称为延迟初始化），双重检查锁定提供了一个线程安全的解决方案。它使用最少的同步并确保仅在第一次访问实例时才创建实例。

public final class Singleton {  // Marked as final to prevent subclassing

    // volatile ensures visibility and prevents instruction reordering
    private static volatile Singleton instance;

    // Private constructor prevents instantiation from other classes
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {               // First check (no locking)
            synchronized (Singleton.class) {   // Locking
                if (instance == null) {        // Second check (with locking)
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

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为什么双重检查锁定有效

第一次检查：同步块之外的 if (instance == null) 检查允许我们避免每次调用 getInstance() 时锁定。这通过绕过初始化后未来调用的同步块来提高性能。
同步块：一旦实例为空，进入同步块可确保只有一个线程创建 Singleton 实例。到达这一点的其他线程必须等待，以防止竞争条件。
第二次检查：在同步块内，我们再次检查实例以确保当前线程等待时没有其他线程初始化它。这一双重检查可确保仅创建一个 Singleton 实例。

为什么需要易失性

可变关键字在双重检查锁定模式中至关重要，以防止指令重新排序。如果没有它，语句instance = new Singleton();在完全初始化之前，其他线程可能会显得已完成，从而导致返回部分构造的实例。易失性保证一旦实例非空，它就被完全构造并且对所有线程可见。

为什么 Final 是良好实践

这里使用final关键字来防止子类化。将 Singleton 类标记为 Final 有两个主要好处：

防止子类化：通过将类设为最终类，我们可以防止其他类扩展它。这确保了 Singleton 类只能存在一个实例，因为子类化可能会导致额外的实例，从而破坏单例模式。
信号不变性：final 向其他开发人员明确指示单例类是不可变的，不应扩展。这使得代码更容易理解和维护。

简而言之，final 增强了单例的完整性，并有助于避免子类化带来的意外行为。

双重检查锁定的优点和缺点

优点：

延迟初始化通过延迟创建直到需要时来节省资源。
由于双重检查而导致的同步开销最小。

缺点：

稍微复杂一点，为了安全需要 volatility。
对于更简单的单例需求（在急切初始化就足够的情况下）可能有点过分了。

何时使用它：当单例类是资源密集型且可能并不总是需要时，或者当需要考虑多线程环境中的性能时，此模式非常有用。

3. 内部静态类：更干净的延迟初始化替代方案

延迟初始化的另一种线程安全方法是内部静态类模式。这利用了 Java 的类加载机制，仅在需要时才初始化单例实例，无需显式同步。

public final class Singleton {
    // Instance is created at class loading time
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // Private constructor prevents instantiation from other classes
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

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