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你真的会写单例模式吗——Java实现

郏高阳
 郏高阳
发布于 2016/04/07 16:45
字数 1884
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饿汉法


顾名思义,饿汉法就是在第一次引用该类的时候就创建对象实例,而不管实际是否需要创建。代码如下:

public class Singleton {   
    private static Singleton = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static getSignleton(){
        return singleton;
    }
}

这样做的好处是编写简单,但是无法做到延迟创建对象。但是我们很多时候都希望对象可以尽可能地延迟加载,从而减小负载,所以就需要下面的懒汉法:

单线程写法

这种写法是最简单的,由私有构造器和一个公有静态工厂方法构成,在工厂方法中对singleton进行null判断,如果是null就new一个出 来,最后返回singleton对象。这种方法可以实现延时加载,但是有一个致命弱点:线程不安全。如果有两条线程同时调用getSingleton() 方法,就有很大可能导致重复创建对象。

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if(singleton == null) singleton = new Singleton();
        return singleton;
    }
}

考虑线程安全的写法

这种写法考虑了线程安全,将对singleton的null判断以及new的部分使用synchronized进行加锁。同时,对 singleton对象使用volatile关键字进行限制,保证其对所有线程的可见性,并且禁止对其进行指令重排序优化。如此即可从语义上保证这种单例 模式写法是线程安全的。注意,这里说的是语义上,实际使用中还是存在小坑的,会在后文写到。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton singleton = null;

    private Singleton(){}

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

兼顾线程安全和效率的写法

虽然上面这种写法是可以正确运行的,但是其效率低下,还是无法实际应用。因为每次调用getSingleton()方法,都必须在synchronized这里进行排队,而真正遇到需要new的情况是非常少的。所以,就诞生了第三种写法:

public class Singleton {
    private static volatile Singleton singleton = null;
    
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getSingleton(){
        if(singleton == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if(singleton == null){
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }    
}

这种写法被称为“双重检查锁”,顾名思义,就是在getSingleton()方法中,进行两次null检查。看似多此一举,但实际上却极大提升了 并发度,进而提升了性能。为什么可以提高并发度呢?就像上文说的,在单例中new的情况非常少,绝大多数都是可以并行的读操作。因此在加锁前多进行一次 null检查就可以减少绝大多数的加锁操作,执行效率提高的目的也就达到了。

那么,这种写法是不是绝对安全呢?前面说了,从语义角度来看,并没有什么问题。但是其实还是有坑。说这个坑之前我们要先来看看volatile这个 关键字。其实这个关键字有两层语义。第一层语义相信大家都比较熟悉,就是可见性。可见性指的是在一个线程中对该变量的修改会马上由工作内存(Work Memory)写回主内存(Main Memory),所以会马上反应在其它线程的读取操作中。顺便一提,工作内存和主内存可以近似理解为实际电脑中的高速缓存和主存,工作内存是线程独享的, 主存是线程共享的。volatile的第二层语义是禁止指令重排序优化。大家知道我们写的代码(尤其是多线程代码),由于编译器优化,在实际执行的时候可 能与我们编写的顺序不同。编译器只保证程序执行结果与源代码相同,却不保证实际指令的顺序与源代码相同。这在单线程看起来没什么问题,然而一旦引入多线 程,这种乱序就可能导致严重问题。volatile关键字就可以从语义上解决这个问题。

注意,前面反复提到“从语义上讲是没有问题的”,但是很不幸,禁止指令重排优化这条语义直到jdk1.5以后才能正确工作。此前的JDK中即使将变 量声明为volatile也无法完全避免重排序所导致的问题。所以,在jdk1.5版本前,双重检查锁形式的单例模式是无法保证线程安全的。

静态内部类法

那么,有没有一种延时加载,并且能保证线程安全的简单写法呢?我们可以把Singleton实例放到一个静态内部类中,这样就避免了静态实例在Singleton类加载的时候就创建对象,并且由于静态内部类只会被加载一次,所以这种写法也是线程安全的:

public class Singleton {
    private static class Holder {
        private static Singleton singleton = new Singleton();
    }
    
    private Singleton(){}
        
    public static Singleton getSingleton(){
        return Holder.singleton;
    }
}

但是,上面提到的所有实现方式都有两个共同的缺点:

  • 都需要额外的工作(Serializable、transient、readResolve())来实现序列化,否则每次反序列化一个序列化的对象实例时都会创建一个新的实例。

  • 可能会有人使用反射强行调用我们的私有构造器(如果要避免这种情况,可以修改构造器,让它在创建第二个实例的时候抛异常)。

枚举写法

当然,还有一种更加优雅的方法来实现单例模式,那就是枚举写法:

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    private String name;
    public String getName(){
        return name;
    }
    public void setName(String name){
        this.name = name;
    }
}

使用枚举除了线程安全和防止反射强行调用构造器之外,还提供了自动序列化机制,防止反序列化的时候创建新的对象。因此,Effective Java推荐尽可能地使用枚举来实现单例。

总结

这篇文章发出去以后得到许多反馈,这让我受宠若惊,觉得应该再写一点小结。代码没有一劳永逸的写法,只有在特定条件下最合适的写法。在不同的平台、不同的开发环境(尤其是jdk版本)下,自然有不同的最优解(或者说较优解)。
比如枚举,虽然Effective Java中推荐使用,但是在Android平台上却是不被推荐的。在这篇Android Training中明确指出:

Enums often require more than twice as much memory as static constants. You should strictly avoid using enums on Android.

再比如双重检查锁法,不能在jdk1.5之前使用,而在Android平台上使用就比较放心了(一般Android都是jdk1.6以上了,不仅修正了volatile的语义问题,还加入了不少锁优化,使得多线程同步的开销降低不少)。

最后,不管采取何种方案,请时刻牢记单例的三大要点:

  • 线程安全

  • 延迟加载

  • 序列化与反序列化安全

参考资料

《Effective Java(第二版)》
 《深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践(第二版)》

原文参考:http://www.tekbroaden.com/singleton-java.html









© 著作权归作者所有

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