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    单例模式可能是代码最少的模式了,但是少不一定意味着简单,想要用好、用对单例模式,还真得费一番脑筋。本文对Java中常见的单例模式写法做了一个总结,如有错漏之处,恳请读者指正。

    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??此贫啻艘痪?,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??杉灾傅氖窃谝桓鱿叱讨卸愿帽淞康男薷幕崧砩嫌晒ぷ髂诖妫╓ork 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)》



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    7 条评论

    1. Erwin 说道:

      我一直都用的双重检测机制来写单例模式

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    2. 外行人 说道:

      为啥用懒汉模式 我们一般实例化一个单例时有一系列的操作 如果使用这个枚举 我该怎么写实例化时的方法

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    3. shanhm 说道:

      考虑线程安全的写法中,已经使用加锁同步控制状态变化的情况下应该不需要再使用volatile来保证可见性了

      Hot debate. What do you think? Thumb up 4 Thumb down 10

    4. wangsir 说道:

      总结的非常完美

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    5. hmlde 说道:

      如今直接加载感觉更好,启动慢不碍事 运行快才是王道

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    6. jadeStones 说道:

      针对反序列化的安全,还可以重写readResolve方法。

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    7. 球球你学习 说道:

      棒!

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