[学习交流] [石家庄校区]Java中单例的实现方式

本帖最后由欢迎光临于 2017-12-16 13:58 编辑

单例(Singleton)应该是开发者们最熟悉的设计模式了. 单例对象的类必须保证只有一个实例存在.对单例的实现可以分为两大类——懒汉式和饿汉式，他们的区别在于：懒汉式：指全局的单例实例在第一次被使用时构建。
饿汉式：指全局的单例实例在类装载时构建。
单例模式有多种写法, 每种写法也有不同的优缺点. 下面我们就来详细看看这些写法:

1.线程不安全的懒汉式单例
先来看一下懒汉式单例的实现方式。

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public class Single1 {
    private static Single1 instance;
    private Single1() {}
    public static Single1 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Single1();
        }
        return instance;
    }
}

每次获取instance之前先进行判断，如果instance为空就new一个出来，否则就直接返回已存在的instance。这种写法在大多数的时候也是没问题的。问题在于，当多线程工作的时候，如果有多个线程同时运行到if (instance == null)，都判断为null，那么两个线程就各自会创建一个实例——这样一来，就不是单例了。

2. 线程安全的懒汉式单例
为了避免线程安全问题, 我们可以在判断外加上synchronized关键字，getInstance方法就会锁上了。如果有两个线程（T1、T2）同时执行到这个方法时，会有其中一个线程T1获得同步锁，得以继续执行，而另一个线程T2则需要等待，当第T1执行完毕getInstance之后（完成了null判断、对象创建、获得返回值之后），T2线程才会执行执行。但给gitInstance方法加锁，虽然会避免了可能会出现的多个实例问题，但是会强制除T1之外的所有线程等待，实际上会对程序的执行效率造成负面影响。对于这个问题, 有一个优化的思路，就是使用双重检查, 先来看代码:

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public class Single3 {
    private static Single3 instance;
    private Single3() {}
    public static Single3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Single3.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Single3();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

第一个if (instance == null)，其实是为了解决效率问题，只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段第二个if (instance == null)，是为了防止可能出现多个实例的情况。

这段代码看起来已经完美无瑕了。但还是有小概率出现问题的。在弄清楚为什么这里可能出现问题，首先我们需要弄清楚几个概念：原子操作、指令重排。

原子操作: 简单来说，原子操作（atomic）就是不可分割的操作，在计算机中，就是指不会因为线程调度被打断的操作。
比如，简单的赋值是一个原子操作：

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m = 6; // 这是个原子操作

假如m原先的值为0，那么对于这个操作，要么执行成功m变成了6，要么是没执行m还是0，而不会出现诸如m=3这种中间态——即使是在并发的线程中。
而声明并赋值就不是一个原子操作：

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int n = 6; // 这不是一个原子操作

对于这个语句，至少有两个操作：
①声明一个变量n
②给n赋值为6
这样就会有一个中间状态：变量n已经被声明了但是还没有被赋值的状态。这样，在多线程中，由于线程执行顺序的不确定性，如果两个线程都使用m，就可能会导致不稳定的结果出现。

指令重排: 简单来说，就是计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。如：

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int a ;   // 语句1 
a = 8 ;   // 语句2
int b = 9 ;     // 语句3
int c = a + b ; // 语句4

正常来说，对于顺序结构，执行的顺序是自上到下，也即1234。但是，由于指令重排的原因，因为不影响最终的结果，所以，实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。由于语句3和4没有原子性的问题，语句3和语句4也可能会拆分成原子操作，再重排。也就是说，对于非原子性的操作，在不影响最终结果的情况下，其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。了解了原子操作和指令重排的概念之后，我们再继续看代码的问题。singleton = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情:
1. 给 singleton 分配内存
2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
3. 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了）
但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。再稍微解释一下，就是说，由于有一个"instance已经不为null但是仍没有完成初始化"的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance == null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。这里的关键在于, 线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。

3: volatile版本懒汉式单例
对于这种问题的解决方案是：只需要给instance的声明加上volatile关键字即可：

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public class Single4 {
    private static volatile Single4 instance;
    private Single4() {}
    public static Single4 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Single4.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Single4();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

volatile关键字的一个作用是禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障，这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。注意：volatile阻止的不是singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。

4. 饿汉式单例

下面再聊了解一下饿汉式的单例。如上所说，饿汉式单例是指：指全局的单例实例在类装载时构建的实现方式。由于类装载的过程是由类加载器（ClassLoader）来执行的，这个过程也是由JVM来保证同步的，所以这种方式先天就有一个优势——能够免疫许多由多线程引起的问题。

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public class SingleB {
    private static final SingleB INSTANCE = new SingleB();
    private SingleB() {}
    public static SingleB getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

对于一个饿汉式单例的写法来说，它基本上是完美的了。所以它的缺点也就只是饿汉式单例本身的缺点所在了: 由于INSTANCE的初始化是在类加载时进行的，而类的加载是由ClassLoader来做的，所以开发者本来对于它初始化的时机就很难去准确把握：可能由于初始化的太早，造成资源的浪费如果初始化本身依赖于一些其他数据，那么也就很难保证其他数据会在它初始化之前准备好。当然，如果所需的单例占用的资源很少，并且也不依赖于其他数据，那么这种实现方式也是很好的。

5. 静态内部类方式
《Effective Java》一书的第一版中推荐了一个中写法：

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public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton (){}
    public static final Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

这种写法非常巧妙：对于内部类SingletonHolder，它是一个饿汉式的单例实现，在SingletonHolder初始化的时候会由ClassLoader来保证同步，使INSTANCE是一个真·单例。同时，由于SingletonHolder是一个内部类，只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。它利用了ClassLoader来保证了同步，同时又能让开发者控制类加载的时机。从内部看是一个饿汉式的单例，但是从外部看来，又的确是懒汉式的实现。简直是神乎其技。

6. 枚举方式
你以为到这就算完了？不，并没有，因为厉害的大神又发现了其他的方法。《Effective Java》的作者在这本书的第二版又推荐了另外一种方法，来直接看代码：

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public enum SingleInstance {
    INSTANCE;
    public void fun1() { 
        // do something
    }
}
 
// 使用
SingleInstance.INSTANCE.fun1();

看到了么？这是一个枚举类型, 连class都不用了，极简。由于创建枚举实例的过程是线程安全的，所以这种写法也没有同步的问题。作者对这个方法的评价：这种写法在功能上与共有域方法相近，但是它更简洁，无偿地提供了序列化机制，绝对防止对此实例化，即使是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这中方法还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。枚举单例这种方法问世一些，许多分析文章都称它是实现单例的最完美方法——写法超级简单，而且又能解决大部分的问题。不过我个人认为这种方法虽然很优秀，但是它仍然不是完美的——比如，在需要继承的场景，它就不适用了。

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