单例模式到Java内存模型

先说单例模式：

经典的单例模式实现：

饿汉式：

public class Singleton {

    private static Singleton instance = new Singleton();

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

懒汉式：

public class Singleton {

    private static Singleton instance = null;

    synchronized public static Singleton getInstance(){
        if(instance ==null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这两种都是可以安全运行在多线程下的。但是每一个都有点缺点，对于第一种如果这个单例的初始化需要很多内存和时间，我们希望用到时在初始化，没有用到就不初始化。对于第二种我们，其实只需要在第一次初始化时需要避免线程冲突，其他时候都可以直接返回的，而第二种的实现则变成了完全的串行（因为每一个操作都需要获得对象锁），非常大的降低了并发度。

我们尝试以下改进：

一个好的方式是DCL（double-checked locking），这种方式的实现如下：

public class Singleton {

    private static Singleton instance = null;

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

这样看起来是完美的解决方案，确实DCL是一个很好的解决思想，在C下其能很好的运行，但在Java下就会有问题了。这全怪Java的JMM（Java内存模型）。

在执行到instance = new Singleton()这里时，由于Java内存的“无序写入”，

可能的执行顺序是这样的：

mem = allocate();             //Allocate memory for Singleton object.
 instance = mem;               //Note that instance is now non-null, but has not been initialized.
 ctorSingleton(instance);      //Invoke constructor for Singleton passinginstance.

即为instance分配内存，标记instance不为空，初始化instance。

这样会导致，一个线程刚标记完，还没有初始化赋值给instance，就释放了锁，然后另一个线程进入锁，判断不为空，释放锁，返回instance，这时显然是错的。这里出现这中错误的原因是instance = new instance();并没有真正的执行完，就释放了锁，我实在不能理解这样设计的原因，但很好的是在JDK1.5之后，已不存在这种问题了DCL这个可以很好的运行。但我们还是有必要继续讨论JDK1.5之前如何实现的。

可以在instance返回之前加一个步奏，确定其确实初始化了。

public class Singleton {

    private static Singleton instance = null;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            Singleton temp = instance;
            synchronized (Singleton.class) {
                if (temp == null)
                    instance = new Singleton();
            }
            instance = temp;
        }
        return instance;
    }
}

这样就很好的解决这个问题了。但是代码量和可阅读性已经陡然上升了，那么有没有更好的方法呢？是有的，利用类加载机制来实现，延迟初始化。

public class Singleton {

    private Singleton() {

    }

    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

这里补充一点类加载的知识，类加载分为一个步骤，加载->验证->准备->解析->初始化->使用->卸载。

Java中对何时初始化一个类有严格的说明，这里涉及到的一个规则是当类的静态域，或静态方法被引用的时候，必须对声明这个静态域或方法的类进行初始化。至于说明时候对类进行加载，这个有两种形式：饿加载（只要有其他类引用了它就加载），懒加载（初始化的时候才加载）。具体JVM对这点的实现不同。

所以当懒汉式能保证用到的时候才进行初始化，而饿汉试则是在加载时就初始化了。