static实现单例的隐患

前言

Java的单例有多种实现方式:单线程下的简单版本、无法在指令重排序下正常工作的Double-Check、static、内部类+static、枚举……。这篇文章要讨论的,是在使用static实现饿汉模式的单例时,会有隐患存在。

Static单例的隐患

传统写法

static实现单例的代码如下:

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton(){}

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

私有的类变量、私有构造函数,再配合一个工厂方法返回实例。

隐患

乍看之下没有问题,但请考虑这样一种情况:当构造函数的执行依赖于静态变量时。代码如下:

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private static int i = 1;      //1

    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }

    private int count;

    private Singleton(){
        count = i;          //2
    }
    public int getCount(){
        return count;
    }
}

这段代码中,成员变量count的初始值是在构造函数中赋予的,与静态变量i有关。稍微有Java基础的同学都知道,静态变量是在类加载的过程中被初始化,而成员变量是在类被实例化的时候才初始化。所以,Singleton.getInstance().getCount()得到的应该是1,这样才符合逻辑。但是,事实往往是反逻辑的:运行结果是0。

问题所在

这是因为类构造函数clinit导致的。类加载过程分为多个阶段(后面会有介绍),其中有一个叫初始化阶段。在这个阶段内,会执行程序员定义好的一系列操作,这些操作都会被放入clinit方法。这些操作包括:static变量的赋值(有例外,后面会介绍)、static块的代码。它们在clinit中的组织顺序就是在源码中出现的顺序。这怎么理解呢?看例子:

public class Test{
    private static int i = 1;    //1
    static{                      //2
        i = 2;
    }
}

分析字节码,可以看到clinit方法的执行顺序是:

如果1、2互换的话:

public class Test {
    static{
        i = 2;
    }
    private static int i = 1;
}

字节码变为:

回到我们讨论的问题。当我们查看Singletonclinit时,发现:

在给i赋值之前,就调用了Singleton的构造方法,而在Singleton的构造方法中:

将i赋值给了count,但此时i还没有被赋值

解决方案

针对这个例子,有个很简单的解决方案:将i加final修饰,变成常量。这样一来,i的赋值就从初始化阶段提前到了准备阶段(后面会有介绍)

但这种解决方案很有局限性。如果类加载阶段不仅仅是给i赋值呢?比如用static块做一些更为复杂的操作。此时final就无能为力了。我们要保证在这些操作执行结束前,Singleton不能被实例化,否则就可能产生意想不到的结果。

所以,我的建议是:

  • 将所有的static赋值语句与逻辑操作,均放入到一个static块中,即使是static final(后面会看到,static final`也不能保证一定会在准备阶段赋值)。
  • 在static块中,instance的赋值语句要放在最后。 代码如下:
public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private static int i;      //1

    static {    //所有对静态变量的逻辑操作都放在一个static块中
        i=1;
        instance = new Singleton();    //instance的实例化要放在最后
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }

    private int count;

    private Singleton(){
        count = i;          //2
    }
    public int getCount(){
        return count;
    }
}

有趣的问题

这一节,我们介绍一个有趣的问题:即便是static final修饰的常量,也不能保证一定在构造函数前被赋值。

要理解这个问题,首先要介绍一下JVM加载类的过程。

JVM类加载过程

图中蓝色标注部分,是与变量的值相关的阶段:

  1. 准备阶段,静态变量会在方法区获得内存空间。此外,那些常量的赋值语句将被执行。
  2. 初始化阶段,会执行类构造方法clinit
  3. 使用阶段的对象实例化过程中,会执行构造函数init。这也就是我们常说的实例化了。

知道了类加载的过程,再回头看第2节的问题,就很明显了:在初始化阶段尚未结束时,执行了使用阶段的对象实例化的代码

有趣的问题

在第2节提到过,如果给i加final修饰,就可以解决问题。实际上,这是将i变为常量,使i=1的执行,从初始化阶段提前到了准备阶段。但是这样会有问题,下面来看这样一个问题:static final 修饰的变量一定在准备阶段被赋值吗?我们来看一个例子:

public class Singleton {
    private static final int i = initI();

    private static int initI(){
        return 1;
    }
}

本例中,istatic final所修饰,其初始化代码应该在准备阶段被执行?来看类的clinit方法:

i是在clinit方法中被赋值的,并不在准备阶段。实际上,不止这一种情况下不行,当对static final 变量用new赋值时,也不会在准备阶段执行。因为准备阶段只会执行:static final修饰的、且赋值是字面量的赋值语句。这体现在字节码中,就是变量的字段属性表中存在ConstantValue,看下面的代码:

public class Singleton {
    private static final int i1 = 1;
    private static final String str1 = "1";
    private static final int i2 = initI();
    private static final String str2 = new String("1");

    private static int initI(){
        return 1;
    }
}

查看字节码中每个变量的属性表:

明显看到,虽然都是static final修饰,但i1str1因为赋值的是字面量,所以有ConstantValue域,会在准备阶段被赋值;而i2str2一个是方法的返回值,一个是对象实例化,所以必须在clinit方法中执行:

总结

static实现单例会有隐患,所以写法上要保证:所有初始化在static块中完成;instance的初始化最后完成。

并非所有static final修饰的变量都会在准备阶段被赋值,这与所赋的值是否为字面量有关。准确的说,只有编译后属性表中有ConstantValue域的变量才会在准备阶段被赋值。

static实现单例的隐患

  • qq_43638135
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