如何正确地写出单例模式

作者: Jark
出处:http://wuchong.me/blog/2014/08/28/how-to-correctly-write-singleton-pattern/
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单例模式算是设计模式中最容易理解,也是最容易手写代码的模式了吧。但是其中的坑却不少,所以也常作为面试题来考。本文主要对几种单例写法的整理,并分析其优缺点。很多都是一些老生常谈的问题,但如果你不知道如何创建一个线程安全的单例,不知道什么是双检锁,那这篇文章可能会帮助到你。

懒汉式,线程不安全

当被问到要实现一个单例模式时,很多人的第一反应是写出如下的代码,包括教科书上也是这样教我们的。

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public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}

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

这段代码简单明了,而且使用了懒加载模式,但是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候,就会创建多个实例。也就是说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)。

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

虽然做到了线程安全,并且解决了多实例的问题,但是它并不高效。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。程序员称其为双重检查锁,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。

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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。

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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」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。

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。

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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。

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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。

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public enum EasySingleton{
INSTANCE;
}

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。

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。

就我个人而言,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。

Read More

Double Checked Locking on Singleton Class in Java
Why Enum Singleton are better in Java
How to create thread safe Singleton in Java
10 Singleton Pattern Interview questions in Java

文章目录
  1. 1. 懒汉式,线程不安全
  2. 2. 懒汉式,线程安全
  3. 3. 双重检验锁
  4. 4. 饿汉式 static final field
  5. 5. 静态内部类 static nested class
  6. 6. 枚举 Enum
  7. 7. 总结
  8. 8. Read More
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