单例模式

class dragram

饿汉 Eager
懒汉 Lazy

how to correctly write singleton pattern

懒汉式 线程不安全

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

存在致命缺陷,当有多个线程并行调用getInstance()方式时,会创建多个实例,即在多线程下不能正常工作。

懒汉式 线程安全

为了解决上面的问题,最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步(synchronized)。

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

通过使用synchronized function的方式 来实现 多线程安全,并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要,即第一次创建单例实例对象时。这就引出了双重检验锁

双重检验锁

双重检验锁模式(double checked locking pattern),是一种使用同步块加锁的方法,称其为双重检查锁,因为会有两次检查 instance == null,一次是在同步块外,一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次?因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if,如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。

public static Singleton getSingleton() {
    if (instance == null) {                         //Single Checked
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {                 //Double Checked
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance ;
}

这段代码看起来很完美,很可惜,它是有问题。主要在于instance = 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 instance 分配内存
2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
3. 将instance对象指向分配的内存空间(执行完这步 instance 就为非 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。

我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {                         
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {       
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

有些人认为使用 volatile 的原因是可见性,也就是可以保证线程在本地不会存有 instance 的副本,每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用 volatile 的主要原因是其另一个特性:禁止指令重排序优化。也就是说,在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障(生成的汇编代码上),读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子,取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后,不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」即 happens before 的角度理解的话,就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作(这里的“后面”是时间上的先后顺序)。

但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM (Java 内存模型)是存在缺陷的,即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序,主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复,所以在这之后才可以放心使用 volatile。

相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式,当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

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。

饿汉式 static final field

这种方法非常简单,因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了,在第一次加载类到内存中时就会初始化,所以创建实例本身是线程安全的。

public class Singleton{
    //类加载时就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

这种写法如果完美的话,就没必要在啰嗦那么多双检锁的问题了。缺点是它不是一种懒加载模式(lazy initialization),单例会在加载类后一开始就被初始化,即使客户端没有调用 getInstance()方法。饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用:譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的,在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它,那样这种单例写法就无法使用了。

静态内部类 static nested class

我比较倾向于使用静态内部类的方法,这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。

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

静态代码块

优点:该方法无线程同步问题 缺点:类装载时创建实例,无Lazy Loading。实例一直未被使用时,会浪费资源

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

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题;由于 SingletonHolder 是私有的,除了 getInstance() 之外没有办法访问它,因此它是懒汉式的;同时读取实例的时候不会进行同步,没有性能缺陷;也不依赖 JDK 版本。

枚举 Enum

用枚举写单例实在太简单了!这也是它最大的优点。下面这段代码就是声明枚举实例的通常做法。

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

public static void main(String args[]) {
	EasySingleton singleton = EasySingleton.instance;
	singleton.setName("https://xyzla.com");
	singleton.getName();
}

我们可以通过EasySingleton.INSTANCE来访问实例,这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的,所以不需要担心double checked locking,而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。但是还是很少看到有人这样写,可能是因为不太熟悉吧。

// 对于一个标准的enum单例模式,最优秀的写法还是实现接口的形式:
// 定义单例模式中需要完成的代码逻辑
public interface MySingleton {
    void doSomething();
}

public enum Singleton implements MySingleton {
    INSTANCE {
        @Override
        public void doSomething() {
            System.out.println("complete singleton");
        }
    };

    public static MySingleton getInstance() {
        return Singleton.INSTANCE;
    }
}

总结

一般来说,单例模式有五种写法:懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举。上述所说都是线程安全的实现,文章开头给出的第一种方法不算正确的写法。

一般情况下直接使用饿汉式就好了,如果明确要求要懒加载(lazy initialization)会倾向于使用静态内部类,如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。

参考
如何正确地写出单例模式——Jark's Blog
你真的会写单例模式吗——Java实现-吃桔子的攻城狮
双重检查锁定与延迟初始化——程晓明

再议 单例模式与静态类

1、单例模式便于 mock,可测性好。虽说 静态方法也可以 mock(比如需要使用一些特殊的注解),但是毕竟相对还是麻烦一些,也没有那么灵活。

2、有人说单例模式可以做到 lazy load,但是静态类不行。这肯定是扯淡,静态类也完全可以做到第一次使用的时候再加载。不过,其中值得一提的是单例中的 Double Check Lock,这里做一个简单介绍。看下面的代码:

 public Singleton {  
     private static Singleton instance;  
     private Number n = new Number();  
     public Number get() {  
         return this.n; //(1)  
     }  
     public static Singleton getInstance() {  
         if(instance == null) {  
             synchronized(Singleton.class) {  
                 if(instance == null)  
                     instance = new Singleton();  
             } //(2)  
         }  
         return instance;  
     }  
 }

这是很常见的一种写法,不过,由于编译器的优化,允许出现主存和线程工作内存数据不一致问题,这就是“DCL 失效”的问题。上面的代码是其典型表现:

根据 JMM 规范,主存数据和工作内存的数据是允许存在不一致的。JDK1.2 之后,分配空间、对象初始化等等操作才都放到工作内存中进行了。由于 synchronized 关键字的关系,执行到语句 (2) 的时候,走出同步块时,JVM 会将主存和工作内存的 instance 引用的对象刷新到一致,即 instance 是“可见”的。但问题出在上面的 (1),没有 synchronized,也没有 volatile、final,没有人来保证调用 get 方法时获得的 n 是正确的值,即这个 n 未必是“可见”的。如果 n 比 instance 晚同步到主存,就存在一个时间间隙,这个间隙内获取到的 instance 是一个不健康的 instance,其中的 this.n 是取不到正确的 Number 对象的。

在 JSR133 中,对 JMM 做了一个修正,后引入或增强了 synchronized、volatile 和 final 关键字,通过它们的运用,上述问题能够得到解决。另外,还有一种解决的方法可以是使用静态的内部类:

private static class InnerInstance {  
   public static Instance instance = new Instance();  
}  
public static Instance getInstance() {  
   return InnerInstance.instance;  
}

3、单例可以被继承,这是一个很大的好处,这便于用户 overwrite 其中的某方法,当然,继承单例的场景较少见;而静态类一般不被继承。关于单例的继承细节,这里暂不讨论,有几种办法,有兴趣的同学可以自行阅读 JDK 的 Calendar 类。

4、单例可以实现自某接口,可以继承自某类。静态类也可以继承自某类,但是就没法使用父类里面的 protect 成员了。推广来说,这一点和上一点都可以看做是面向对象带来的好处:封装、继承和多态,静态类不能很好地具备其中的后两点。

5、单例可以比较方便地扩展为有限实例。根据需要,我可以通过工厂,生产出两个内部状态不同的单例对象——这在静态类中是难以做到的。Spring 可以看做一系列大工厂,但其中的 bean 也只有 singleton 和 prototype 两种,生产不出 static 的新类型;当你的工具成为了对象,就能够保持良好的扩展性。

还有一个有趣的例子是 JDK 的 Calendar.getInstance() 方法,从方法看很像是获得一个单例,其实不是,每次都去创建了新的 Calendar 对象;同时,使用 abstract 修饰它自己,保证了无法使用 new 实例化,又开放了 getInstance 这样一个接口来获取默认实现,而获取的默认实现,又恰恰是 Calendar 的子类。这种形式可以看做是单例的一个变体。

6、有人说,单例在使用过程中申请的资源可以被及时释放并回收内存,但是静态类不行。这也是没有道理的,别忘了静态类也是可以存放状态的,在确定不再使用资源后,及时将资源的引用置为 null 就可以了。

7、如果希望在类加载的时候做复杂的操作,那么在静态类中,需要引入 static 块来初始化数据,如果期间抛出了异常,就可能发生一个“ClassDefNotFoundError”的诡异错误,这对问题定位是不利的。

参考
再议单例模式和静态类--四火的唠叨
请教阎博士:是否所有的不变类都可以做成单实例?欢迎讨论

  • qq_43638135
    妲己再美究为妃: 博主没有想过自己接一些私活干吗?我现在还没毕业,但是我也确实听说外挂市场自动化游戏脚本市场挺火热的,并且报酬也很丰厚,但是具体的我也不是很清楚,求解答。 (1个月前 #47楼) 查看回复(2) 举报 回复
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