自己在平时的业务开发中单例模式运用较多，感觉没有啥技术含量，直到今天和一个同事聊起不同单例模式的底层实现原理时，才发现自己愚昧，里面蕴藏知识点还真有点多，于是就做了这个笔记。

单例设计模式大的方面可以分为两种：对象不延迟加载、对象延迟加载设计。在对象延迟加载设计中又有懒汉模式、双重检查锁(Double-Checked Locking)、IoDH 。接下来我们就一步一步分析每种设计方案的优缺点对比。

1.俄汉模式

单例模式中俄汉模式是最暴力的，也是实现起来最简单的。代码实现如下：

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

这个模式最大的bug就是不能实现对象延迟加载，不管对象以后用不用得上都会加载到内存里占据内存空间。所有在设计的时候就会想到：能不能在用的时候才初始对象呢？相应的懒汉设计模式就出来了。

2.懒汉模式

懒汉模式能解决饿汉模式的延迟加载问题，但在写代码的时候需要注意多线程安全问题。先来看一个有问题的设计，代码实现如下：

//非线程安全实现对象延迟初始化
public class InstanceFactory {
    private InstanceFactory(){}
    private static Instance instance; //1
    public static Instance getInstance(){ //2
        if(instance == null){ //3
            instance = new Instance(); //4: A线程、B线程
        }
        return instance;
    }
}

存在问题：代码4处会出现线程A和线程B同时执行的情况，不能保证instance线程安全的延迟初始化，可能会生成多个实例对象。线程不安全，怎么解决？那么加锁的思想立马涌现出来。

//线程安全实现对象延迟初始化：加锁
public class InstanceFactory {
    private static Instance instance;
    private InstanceFactory(){}
    public synchronized static Instance getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Instance();
        }
        return instance;
    }
}

存在问题：synchronized将导致锁的获取和释放性能开销，如果getInstance()方法被多个线程频繁的调用，将会导致程序执行性能的下降。存在一个最大的问题就是：不管instance是否初始化，都会进行获取锁和释放锁操作。但实际上在我们第一次初始化对象后，是不需要在获取锁和释放锁操作的；于是双重检查锁定模式就诞生了。

3.双重检查锁定(Double-Check-Locking)

double-check能避免第一次初始化对象后，后面的线程对锁的获取和释放操作，可以大幅降低synchronized带来的性能开销，大大的提高了程序执行的性能。我们先来看看一段实现的代码

/*
*如果第一次检查instance不为null，那么就不需要执行下面的加锁和初始化操作。因此，可以大幅降低synchronized带来的性能开销。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。
*/
public class DoubleCheckedLocking { 
    private DoubleCheckedLocking (){}// 1
    private static Instance instance; // 2
    public static Instance 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 Instance(); // 7:实例化对象（这儿会出现问题，想一下为什么？）
            }
        }
        return instance;
    }
}

乍一看上面这种Double-Checked很完美没有什么问题，但这是一个错误的优化！在线程执行到4处时，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。问题的根源是7处的代码创建对象时，JVM内部是分三步实现的。这一行创建对象的代码在JVM中可以分解为如下的3行伪代码。

//jvm初始化对象三步实现
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

在分析创建对象这行代码指令重排序时，需要明白一个概念：临界区。在synchronized同步的代码里，为什么编译器或处理器能进行重排序优化，都与这个临界区有关。先来看看概念

临界区：指一个用以访问共享资源的代码块，这个代码块在同一时间内只能允许一个线程访问。

在synchronized的同步代码中JVM会在 MonitorEnter 对应的机器码指令之后临界区开始之前的地方插入一个获取屏障，并在临界区结束之后 MonitorExit 对应的机器码指令之前的地方插入一个释放屏障。这样临界区中的代码（指令序列）就成了三层夹心饼，如图所示：

synchronized代码块内，临界区里指令是允许编译器或处理器优化的。所有当JVM编译器优化指令时，出现2和3之间重排序之后的处理器命令执行时序如下。

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，只有执行了下一条命令才会初始化
ctorInstance(memory);　// 2：初始化对象

当JVM指令被编译器或处理器重排序后，在多线程并发执行上面的Double-Checked代码就会出问题，如下图：

当线程A执行完内存地址分配后，还没初始化instance对象，此时B线程就读取instance对象，读取到的对象有地址存在但没初始化。所以为了解决上面的指令重排序问题volatile就登场了，禁止指令重排序。 正确的Double-Checked是volatile和synchronized 一起配合使用。

public class SafeDoubleCheckedLocking {
    private SafeDoubleCheckedLocking (){}
    //将instance加上volatile修饰
    private volatile static Instance instance;
    public static Instance getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SafeDoubleCheckedLocking.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Instance(); // instance为volatile完美解决指令重排序问题
            }
        }
        return instance;
    }
}

虽然Double-Checked Locking(volatile和synchronized配合使用)解决延迟加载和多线程问题，但是屏蔽掉了编译器和处理器的指令优化重排序，性能有所影响，为了解决这个问题IoDH方案就登场了。

4.IoDH策略

IoDH单例优化方案，既能保证线程安全，又能实现对象延迟初始化，还能放开处理器和编译器的命令优化堪称完美。代码实现如下

public class InstanceFactory {
    private 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
    }
}

这种方式为什么是线程安全的呢？这涉及到一个知识点：类初始化。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。

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。

//接口或类T发生初始化的条件
（1）T是一个类，而且一个T类型的实例被创建。
（2）T是一个类，且T中声明的一个静态方法被调用。
（3）T中声明的一个静态字段被赋值。
（4）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。
（5）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。

//IoDH单例模式中就是满足了（1）、（3）两个条件导致初始化。

在Java规范里，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在初始化InstanceHolder类期间会获取这个初始化锁，同一时间只能一个线程持有。IoDH单例模式中InstanceHolder类初始化过程如下图：

所以IoDH单例模式靠类初始化时，用class对象的初始化锁来保证多线程安全；new instance()虽然发生了指令重排序，但不存在多线程问题。

到此单例模式的四种实现优缺点就一一分析完，涉及到的知识点还是挺多的，包含了synchronized、volatile、临界区、对象初始化、对象初始化锁这些底层的原理。有时候业务代码写多了就会停止思考底层原理、为什么会这样做，这也是人的惰性所在。单一的动作重复习惯了，就会让人停止思考，这是非常可怕的。所以do more thinking，业务代码一样有技术含量。

2020年5月17日于北京记

单例模式多种实现的优缺点对比

1.俄汉模式

2.懒汉模式

3.双重检查锁定(Double-Check-Locking)

4.IoDH策略

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