深入淺出單一實例Singleton設計模式

來源：http://blog.csdn.net/haoel/archive/2009/03/26/4028232.aspx 深入淺出單一實例Singleton設計模式

陳皓

前序

單一實例Singleton設計模式可能是被討論和使用的最廣泛的一個設計模式了，這可能也是面試中問得最多的一個設計模式了。這個設計模式主要目的是想在整個系統中只能出現一個類的執行個體。這樣做當然是有必然的，比如你的軟體的全域配置資訊，或者是一個Factory，或是一個主控類，等等。你希望這個類在整個系統中只能出現一個執行個體。當然，作為一個技術負責人的你，你當然有權利通過使用非技術的手段來達到你的目的。比如：你在團隊內部明文規定，“XX類只能有一個全域執行個體，如果某人使用兩次以上，那麼該人將被處於2000元的罰款！”（呵呵），你當然有權這麼做。但是如果你的設計的是東西是一個類庫，或是一個需要提供給使用者使用的API，恐怕你的這項規定將會失效。因為，你無權要求別人會那麼做。所以，這就是為什麼，我們希望通過使用技術的手段來達成這樣一個目的的原因。

本文會帶著你深入整個Singleton的世界，當然，我會放棄使用C++語言而改用Java語言，因為使用Java這個語言可能更容易讓我說明一些事情。

Singleton的教學版本

這裡，我將直接給出一個Singleton的簡單實現，因為我相信你已經有這方面的一些基礎了。我們姑且把這具版本叫做1.0版

 

// version 1.0   
public class Singleton
{
private static final Singleton singleton = null;

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

 

 

 

在上面的執行個體中，我想說明下面幾個Singleton的特點：（下面這些東西可能是盡人皆知的，沒有什麼新鮮的）

1. 私人（private）的建構函式，表明這個類是不可能形成執行個體了。這主要是怕這個類會有多個執行個體。
2. 即然這個類是不可能形成執行個體，那麼，我們需要一個靜態方式讓其形成執行個體：getInstance()。注意這個方法是在new自己，因為其可以訪問私人的建構函式，所以他是可以保證執行個體被建立出來的。
3. 在getInstance()中，先做判斷是否已形成執行個體，如果已形成則直接返回，否則建立執行個體。
4. 所形成的執行個體儲存在自己類中的私人成員中。
5. 我們取執行個體時，只需要使用Singleton.getInstance()就行了。

當然，如果你覺得知道了上面這些事情後就學成了，那我給你當頭棒喝一下了，事情遠遠沒有那麼簡單。

Singleton的實際版本

上面的這個程式存在比較嚴重的問題，因為是全域性的執行個體，所以，在多線程情況下，所有的全域共用的東西都會變得非常的危險，這個也一樣，在多線程情況下，如果多個線程同時調用getInstance()的話，那麼，可能會有多個進程同時通過 (singleton== null)的條件檢查，於是，多個執行個體就建立出來，並且很可能造成記憶體泄露問題。嗯，熟悉多線程的你一定會說——“我們需要線程互斥或同步”，沒錯，我們需要這個事情，於是我們的Singleton升級成1.1版，如下所示：

 

// version 1.1
public class Singleton
{
private static final Singleton singleton = null;

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

 

 

 

嗯，使用了Java的synchronized方法，看起來不錯哦。應該沒有問題了吧？！錯！這還是有問題！為什麼呢？前面已經說過，如果有多個線程同時通過(singleton== null)的條件檢查（因為他們並行運行），雖然我們的synchronized方法會協助我們同步所有的線程，讓我們並行線程變成串列的一個一個去new，那不還是一樣的嗎？同樣會出現很多執行個體。嗯，確實如此！看來，還得把那個判斷(singleton== null)條件也同步起來。於是，我們的Singleton再次升級成1.2版本，如下所示：

 

// version 1.2
public class Singleton
{
private static final Singleton singleton = null;

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

 

不錯不錯，看似很不錯了。在多線程下應該沒有什麼問題了，不是嗎？的確是這樣的，1.2版的Singleton在多線程下的確沒有問題了，因為我們同步了所有的線程。只不過嘛……，什嗎？！還不行？！是的，還是有點小問題，我們本來只是想讓new這個操作並行就可以了，現在，只要是進入getInstance()的線程都得同步啊，注意，建立對象的動作只有一次，後面的動作全是讀取那個成員變數，這些讀取的動作不需要線程同步啊。這樣的作法感覺非常極端啊，為了一個初始化的建立動作，居然讓我們達上了所有的讀操作，嚴重影響後續的效能啊！

還得改！嗯，看來，線上程同步前還得加一個(singleton== null)的條件判斷，如果對象已經建立了，那麼就不需要線程的同步了。OK，下面是1.3版的Singleton。

// version 1.3
public class Singleton
{
private static final Singleton singleton = null;

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

 

感覺代碼開始變得有點羅嗦和複雜了，不過，這可能是最不錯的一個版本了，這個版本又叫“雙重檢查”Double-Check。下面是說明：

1. 第一個條件是說，如果執行個體建立了，那就不需要同步了，直接返回就好了。
2. 不然，我們就開始同步線程。
3. 第二個條件是說，如果被同步的線程中，有一個線程建立了對象，那麼別的線程就不用再建立了。

相當不錯啊，幹得非常漂亮！請大家為我們的1.3版起立鼓掌！

Singleton的其它問題

怎嗎？還有問題？！當然還有，請記住下面這條規則——“無論你的代碼寫得有多好，其只能在特定的範圍內工作，超出這個範圍就要出Bug了”，這是“陳式第一定理”(汗)，呵呵。你能想一想還有什麼情況會讓這個我們上面的代碼出問題嗎？

在C++下，我不是很好舉例，但是在Java的環境下，嘿嘿，還是讓我們來看看下面的一些反例和一些別的事情的討論（當然，有些反例可能屬於鑽牛角尖，可能有點學院派，不過也不排除其實際可能性，就算是提個醒吧）：

其一、Class Loader。不知道你對Java的Class Loader熟悉嗎？“類裝載器”？！C++可沒有這個東西啊。這是Java動態性的核心。顧名思義，類裝載器是用來把類(class)裝載進JVM的。JVM規範定義了兩種類型的類裝載器：啟動內裝載器(bootstrap)和使用者自訂裝載器(user-defined class loader)。 在一個JVM中可能存在多個ClassLoader，每個ClassLoader擁有自己的NameSpace。一個ClassLoader只能擁有一個class物件類型的執行個體，但是不同的ClassLoader可能擁有相同的class對象執行個體，這時可能產生致命的問題。如ClassLoaderA，裝載了類A的類型執行個體A1，而ClassLoaderB，也裝載了類A的對象執行個體A2。邏輯上講A1=A2，但是由於A1和A2來自於不同的ClassLoader，它們實際上是完全不同的，如果A中定義了一個靜態變數c，則c在不同的ClassLoader中的值是不同的。

於是，如果咱們的Singleton 1.3版本如果面對著多個Class Loader會怎麼樣？呵呵，多個執行個體同樣會被多個Class Loader建立出來，當然，這個有點牽強，不過他確實存在。難道我們還要整出個1.4版嗎？可是，我們怎麼可能在我的Singleton類中操作Class Loader啊？是的，你根本不可能。在這種情況下，你能做的只有是——“保證多個Class Loader不會裝載同一個Singleton”。

其二、序例化。如果我們的這個Singleton類是一個關於我們程式配置資訊的類。我們需要它有序列化的功能，那麼，當還原序列化的時候，我們將無法控制別人不多次還原序列化。不過，我們可以利用一下Serializable介面的readResolve()方法，比如：

 

public class Singleton implements Serializable
{
    ......
    ......
protected Object readResolve()
    {
return getInstance();
    }
}

 

 

 

其三、多個Java虛擬機器。如果我們的程式運行在多個Java的虛擬機器中。什嗎？多個虛擬機器？這是一種什麼樣的情況啊。嗯，這種情況是有點極端，不過還是可能出現，比如EJB或RMI之流的東西。要在這種環境下避免多執行個體，看來只能通過良好的設計或非技術來解決了。

其四，volatile變數。關於volatile這個關鍵字所聲明的變數可以被看作是一種 “程度較輕的同步synchronized”；與 synchronized 塊相比，volatile 變數所需的編碼較少，並且運行時開銷也較少，但是它所能實現的功能也僅是synchronized的一部分。當然，如前面所述，我們需要的Singleton只是在建立的時候線程同步，而後面的讀取則不需要同步。所以，volatile變數並不能協助我們即能解決問題，又有好的效能。而且，這種變數只能在JDK 1.5+版後才能使用。

其五、關於繼承。是的，繼承於Singleton後的子類也有可能造成多執行個體的問題。不過，因為我們早把Singleton的建構函式聲明成了私人的，所以也就杜絕了繼承這種事情。

其六，關於代碼重用。也話我們的系統中有很多個類需要用到這個模式，如果我們在每一個類都中有這樣的代碼，那麼就顯得有點傻了。那麼，我們是否可以使用一種方法，把這具模式抽象出去？在C++下這是很容易的，因為有模板和友元，還支援棧上分配記憶體，所以比較容易一些（程式如下所示），Java下可能比較複雜一些，聰明的你知道怎麼做嗎？

 

template<CLASS T> class Singleton
{
public:
static T& Instance()
        {
static T theSingleInstance; //假設T有一個protected預設建構函式
            return theSingleInstance;
        }
};

class OnlyOne : public Singleton<ONLYONE>
{
    friend class Singleton<ONLYONE>;
int example_data;

public:
int GetExampleData() const {return example_data;}
protected:
        OnlyOne(): example_data(42) {}   // 預設建構函式
        OnlyOne(OnlyOne&) {}
};

int main( )
{
    cout << OnlyOne::Instance().GetExampleData() << endl;
return 0;
}