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資訊專欄INFORMATION COLUMN

Java單例模式實(shí)現(xiàn)

jaysun / 390人閱讀

摘要：所以，在版本前，雙重檢查鎖形式的單例模式是無法保證線程安全的。

單例模式可能是代碼最少的模式了，但是少不一定意味著簡(jiǎn)單，想要用好、用對(duì)單例模式，還真得費(fèi)一番腦筋。本文對(duì)Java中常見的單例模式寫法做了一個(gè)總結(jié)，如有錯(cuò)漏之處，懇請(qǐng)讀者指正。

餓漢法

顧名思義，餓漢法就是在第一次引用該類的時(shí)候就創(chuàng)建對(duì)象實(shí)例，而不管實(shí)際是否需要?jiǎng)?chuàng)建。代碼如下：

public class Singleton {

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

}

這樣做的好處是編寫簡(jiǎn)單，但是無法做到延遲創(chuàng)建對(duì)象。但是我們很多時(shí)候都希望對(duì)象可以盡可能地延遲加載，從而減小負(fù)載，所以就需要下面的懶漢法：

懶漢法單線程寫法

這種寫法是最簡(jiǎn)單的，由私有構(gòu)造器和一個(gè)公有靜態(tài)工廠方法構(gòu)成，在工廠方法中對(duì)singleton進(jìn)行null判斷，如果是null就new一個(gè)出來，最后返回singleton對(duì)象。這種方法可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)加載，但是有一個(gè)致命弱點(diǎn)：線程不安全。如果有兩條線程同時(shí)調(diào)用getSingleton()方法，就有很大可能導(dǎo)致重復(fù)創(chuàng)建對(duì)象。

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

考慮線程安全的寫法
這種寫法考慮了線程安全，將對(duì)singleton的null判斷以及new的部分使用synchronized進(jìn)行加鎖。同時(shí)，對(duì)singleton對(duì)象使用volatile關(guān)鍵字進(jìn)行限制，保證其對(duì)所有線程的可見性，并且禁止對(duì)其進(jìn)行指令重排序優(yōu)化。如此即可從語義上保證這種單例模式寫法是線程安全的。注意，這里說的是語義上，實(shí)際使用中還是存在小坑的，會(huì)在后文寫到。

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;
    }    
}

兼顧線程安全和效率的寫法
雖然上面這種寫法是可以正確運(yùn)行的，但是其效率低下，還是無法實(shí)際應(yīng)用。因?yàn)槊看握{(diào)用getSingleton()方法，都必須在synchronized這里進(jìn)行排隊(duì)，而真正遇到需要new的情況是非常少的。所以，就誕生了第三種寫法：

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;
    }    
}

這種寫法被稱為“雙重檢查鎖”，顧名思義，就是在getSingleton()方法中，進(jìn)行兩次null檢查?？此贫啻艘慌e，但實(shí)際上卻極大提升了并發(fā)度，進(jìn)而提升了性能。為什么可以提高并發(fā)度呢？就像上文說的，在單例中new的情況非常少，絕大多數(shù)都是可以并行的讀操作。因此在加鎖前多進(jìn)行一次null檢查就可以減少絕大多數(shù)的加鎖操作，執(zhí)行效率提高的目的也就達(dá)到了。

坑
-

那么，這種寫法是不是絕對(duì)安全呢？前面說了，從語義角度來看，并沒有什么問題。但是其實(shí)還是有坑。說這個(gè)坑之前我們要先來看看volatile這個(gè)關(guān)鍵字。其實(shí)這個(gè)關(guān)鍵字有兩層語義。第一層語義相信大家都比較熟悉，就是可見性。可見性指的是在一個(gè)線程中對(duì)該變量的修改會(huì)馬上由工作內(nèi)存（Work Memory）寫回主內(nèi)存（Main Memory），所以會(huì)馬上反應(yīng)在其它線程的讀取操作中。順便一提，工作內(nèi)存和主內(nèi)存可以近似理解為實(shí)際電腦中的高速緩存和主存，工作內(nèi)存是線程獨(dú)享的，主存是線程共享的。volatile的第二層語義是禁止指令重排序優(yōu)化。大家知道我們寫的代碼（尤其是多線程代碼），由于編譯器優(yōu)化，在實(shí)際執(zhí)行的時(shí)候可能與我們編寫的順序不同。編譯器只保證程序執(zhí)行結(jié)果與源代碼相同，卻不保證實(shí)際指令的順序與源代碼相同。這在單線程看起來沒什么問題，然而一旦引入多線程，這種亂序就可能導(dǎo)致嚴(yán)重問題。volatile關(guān)鍵字就可以從語義上解決這個(gè)問題。

注意，前面反復(fù)提到“從語義上講是沒有問題的”，但是很不幸，禁止指令重排優(yōu)化這條語義直到j(luò)dk1.5以后才能正確工作。此前的JDK中即使將變量聲明為volatile也無法完全避免重排序所導(dǎo)致的問題。所以，在jdk1.5版本前，雙重檢查鎖形式的單例模式是無法保證線程安全的。

靜態(tài)內(nèi)部類法

那么，有沒有一種延時(shí)加載，并且能保證線程安全的簡(jiǎn)單寫法呢？我們可以把Singleton實(shí)例放到一個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類中，這樣就避免了靜態(tài)實(shí)例在Singleton類加載的時(shí)候就創(chuàng)建對(duì)象，并且由于靜態(tài)內(nèi)部類只會(huì)被加載一次(JVM機(jī)制)，所以這種寫法也是線程安全的：

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

但是，上面提到的所有實(shí)現(xiàn)方式都有兩個(gè)共同的缺點(diǎn)：

都需要額外的工作(Serializable、transient、readResolve())來實(shí)現(xiàn)序列化，否則每次反序列化一個(gè)序列化的對(duì)象實(shí)例時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例。

可能會(huì)有人使用反射強(qiáng)行調(diào)用我們的私有構(gòu)造器（如果要避免這種情況，可以修改構(gòu)造器，讓它在創(chuàng)建第二個(gè)實(shí)例的時(shí)候拋異常）。

枚舉寫法

當(dāng)然，還有一種更加優(yōu)雅的方法來實(shí)現(xiàn)單例模式，那就是枚舉寫法：

public enum Singleton {

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

}
使用枚舉除了線程安全和防止反射強(qiáng)行調(diào)用構(gòu)造器之外，還提供了自動(dòng)序列化機(jī)制，防止反序列化的時(shí)候創(chuàng)建新的對(duì)象。因此，Effective Java推薦盡可能地使用枚舉來實(shí)現(xiàn)單例。

總結(jié)
這篇文章發(fā)出去以后得到許多反饋，這讓我受寵若驚，覺得應(yīng)該再寫一點(diǎn)小結(jié)。代碼沒有一勞永逸的寫法，只有在特定條件下最合適的寫法。在不同的平臺(tái)、不同的開發(fā)環(huán)境（尤其是jdk版本）下，自然有不同的最優(yōu)解（或者說較優(yōu)解）。
比如枚舉，雖然Effective Java中推薦使用，但是在Android平臺(tái)上卻是不被推薦的。在這篇Android Training中明確指出：

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

再比如雙重檢查鎖法，不能在jdk1.5之前使用，而在Android平臺(tái)上使用就比較放心了（一般Android都是jdk1.6以上了，不僅修正了volatile的語義問題，還加入了不少鎖優(yōu)化，使得多線程同步的開銷降低不少）。

最后，不管采取何種方案，請(qǐng)時(shí)刻牢記單例的三大要點(diǎn)：

線程安全
延遲加載
序列化與反序列化安全

參考資料
《Effective Java（第二版）》
《深入理解Java虛擬機(jī)——JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐（第二版）》

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