在java中寫出完美的單例模式

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1. 前言

 

單例(Singleton)應該是開發人員們最熟悉的設計模式了，並且好像也是最容易實現的——基本上每個開發人員都能夠隨手寫出——但是，真的是這樣嗎？

 

作為一個Java開發人員，也許你覺得自己對單例模式的瞭解已經足夠多了。我並不想危言聳聽說一定還有你不知道的——畢竟我自己的瞭解也的確有限，但究竟你自己瞭解的程度到底怎樣呢？往下看，我們一起來聊聊看~

 

 

2. 什麼是單例？

 

單例對象的類必須保證只有一個執行個體存在——這是維基百科上對單例的定義，這也可以作為對意圖實現單例模式的代碼進行檢驗的標準。

 

對單例的實現可以分為兩大類——懶漢式和餓漢式，他們的區別在於：

 

• 懶漢式：指全域的單例執行個體在第一次被使用時構建。

• 餓漢式：指全域的單例執行個體在類裝載時構建。

 

從它們的區別也能看出來，日常我們使用的較多的應該是懶漢式的單例，畢竟按需載入才能做到資源的最大化利用嘛~

 

3. 懶漢式單例

 

先來看一下懶漢式單例的實現方式。

 

3.1 簡單版本

 

看最簡單的寫法Version 1：

// Version 1public class Single1 {    private static Single1 instance;    public static Single1 getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new Single1();        }        return instance;    }}

或者再進一步，把構造器改為私人的，這樣能夠防止被外部的類調用。

// Version 1.1public class Single1 {    private static Single1 instance;    private Single1() {}    public static Single1 getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new Single1();        }        return instance;    }}

我彷彿記得當初學校的教科書就是這麼教的？—— 每次擷取instance之前先進行判斷，如果instance為空白就new一個出來，否則就直接返回已存在的instance。

 

這種寫法在大多數的時候也是沒問題的。問題在於，當多線程工作的時候，如果有多個線程同時運行到if (instance == null)，都判斷為null，那麼兩個線程就各自會建立一個執行個體——這樣一來，就不是單例了。

 

3.2 synchronized版本

 

那既然可能會因為多線程導致問題，那麼加上一個同步鎖吧！

 

修改後的代碼如下，相對於Version1.1，只是在方法簽名上多加了一個synchronized：

// Version 2 public class Single2 {    private static Single2 instance;    private Single2() {}    public static synchronized Single2 getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new Single2();        }        return instance;    }}

OK，加上synchronized關鍵字之後，getInstance方法就會鎖上了。如果有兩個線程（T1、T2）同時執行到這個方法時，會有其中一個線程T1獲得同步鎖，得以繼續執行，而另一個線程T2則需要等待，當第T1執行完畢getInstance之後（完成了null判斷、對象建立、獲得傳回值之後），T2線程才會執行執行。——所以這端代碼也就避免了Version1中，可能出現因為多線程導致多個執行個體的情況。

 

但是，這種寫法也有一個問題：給gitInstance方法加鎖，雖然會避免了可能會出現的多個執行個體問題，但是會強制除T1之外的所有線程等待，實際上會對程式的執行效率造成負面影響。

 

3.3 雙重檢查（Double-Check）版本

 

Version2代碼相對於Version1d代碼的效率問題，其實是為瞭解決1%幾率的問題，而使用了一個100%出現的防護盾。那有一個最佳化的思路，就是把100%出現的防護盾，也改為1%的幾率出現，使之只出現在可能會導致多個執行個體出現的地方。

 

——有沒有這樣的方法呢？當然是有的，改進後的代碼Vsersion3如下：

// Version 3 public class Single3 {    private static Single3 instance;    private Single3() {}    public static Single3 getInstance() {        if (instance == null) {            synchronized (Single3.class) {                if (instance == null) {                    instance = new Single3();                }            }        }        return instance;    }}

這個版本的代碼看起來有點複雜，注意其中有兩次if (instance == null)的判斷，這個叫做『雙重檢查 Double-Check』。

 

• 第一個if (instance == null)，其實是為瞭解決Version2中的效率問題，只有instance為null的時候，才進入synchronized的程式碼片段——大大減少了幾率。

   

• 第二個if (instance == null)，則是跟Version2一樣，是為了防止可能出現多個執行個體的情況。

 

—— 這段代碼看起來已經完美無瑕了。

……

……

……

—— 當然，只是『看起來』，還是有小機率出現問題的。

 

這弄清楚為什麼這裡可能出現問題，首先，我們需要弄清楚幾個概念：原子操作、指令重排。

 

知識點：什麼是原子操作？

 

簡單來說，原子操作（atomic）就是不可分割的操作，在電腦中，就是指不會因為線程調度被打斷的操作。

 

比如，簡單的賦值是一個原子操作：

m = 6; // 這是個原子操作

假如m原先的值為0，那麼對於這個操作，要麼執行成功m變成了6，要麼是沒執行m還是0，而不會出現諸如m=3這種中間態——即使是在並發的線程中。

 

而，聲明並賦值就不是一個原子操作：

int n = 6; // 這不是一個原子操作

對於這個語句，至少有兩個操作：

 

①聲明一個變數n

②給n賦值為6

 

——這樣就會有一個中間狀態：變數n已經被聲明了但是還沒有被賦值的狀態。

——這樣，在多線程中，由於線程執行順序的不確定性，如果兩個線程都使用m，就可能會導致不穩定的結果出現。

 

知識點：什麼是指令重排？

 

簡單來說，就是電腦為了提高執行效率，會做的一些最佳化，在不影響最終結果的情況下，可能會對一些語句的執行順序進行調整。

比如，這一段代碼：

int a ;   // 語句1 a = 8 ;   // 語句2int b = 9 ;     // 語句3int c = a + b ; // 語句4

正常來說，對於順序結構，執行的順序是自上到下，也即1234。

 

但是，由於指令重排的原因，因為不影響最終的結果，所以，實際執行的順序可能會變成3124或者1324。

 

由於語句3和4沒有原子性的問題，語句3和語句4也可能會拆分成原子操作，再重排。

 

——也就是說，對於非原子性的操作，在不影響最終結果的情況下，其拆分成的原子操作可能會被重新排列執行順序。

 

OK，瞭解了原子操作和指令重排的概念之後，我們再繼續看Version3代碼的問題。

 

下面這段話直接從陳皓的文章(深入淺出單一實例SINGLETON設計模式)中複製而來：

 

主要在於singleton = new Singleton()這句，這並非是一個原子操作，事實上在 JVM 中這句話大概做了下面 3 件事情。

 

1. 給 singleton 分配記憶體

 

2. 調用 Singleton 的建構函式來初始化成員變數，形成執行個體

 

3. 將singleton對象指向分配的記憶體空間（執行完這步 singleton才是非 null 了）

但是在 JVM 的即時編譯器中存在指令重排序的最佳化。也就是說上面的第二步和第三步的順序是不能保證的，最終的執行順序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是後者，則在 3 執行完畢、2 未執行之前，被線程二搶佔了，這時 instance 已經是非 null 了（但卻沒有初始化），所以線程二會直接返回 instance，然後使用，然後順理成章地報錯。

 

再稍微解釋一下，就是說，由於有一個『instance已經不為null但是仍沒有完成初始化』的中間狀態，而這個時候，如果有其他線程剛好運行到第一層if (instance == null)這裡，這裡讀取到的instance已經不為null了，所以就直接把這個中間狀態的instance拿去用了，就會產生問題。

 

這裡的關鍵在於——線程T1對instance的寫操作沒有完成，線程T2就執行了讀操作。

 

3.4 終極版本：volatile

 

對於Version3中可能出現的問題（當然這種機率已經非常小了，但畢竟還是有的嘛~），解決方案是：只需要給instance的聲明加上volatile關鍵字即可，Version4版本：

// Version 4 public class Single4 {    private static volatile Single4 instance;    private Single4() {}    public static Single4 getInstance() {        if (instance == null) {            synchronized (Single4.class) {                if (instance == null) {                    instance = new Single4();                }            }        }        return instance;    }}

volatile關鍵字的一個作用是禁止指令重排，把instance聲明為volatile之後，對它的寫操作就會有一個記憶體屏障（什麼是記憶體屏障？），這樣，在它的賦值完成之前，就不用會調用讀操作。

 

注意：volatile阻止的不singleton = new Singleton()這句話內部[1-2-3]的指令重排，而是保證了在一個寫操作（[1-2-3]）完成之前，不會調用讀操作（if (instance == null)）。

 

——也就徹底防止了Version3中的問題發生。

——好了，現在徹底沒什麼問題了吧？

……

……

……

 

好了，別緊張，的確沒問題了。大名鼎鼎的EventBus中，其入口方法EventBus.getDefault()就是用這種方法來實現的。

……

……

……

不過，非要挑點刺的話還是能挑出來的，就是這個寫法有些複雜了，不夠優雅、簡潔。

 

4. 餓漢式單例

 

下面再聊瞭解一下餓漢式的單例。

 

如上所說，餓漢式單例是指：指全域的單例執行個體在類裝載時構建的實現方式。

 

由於類裝載的過程是由類載入器（ClassLoader）來執行的，這個過程也是由JVM來保證同步的，所以這種方式先天就有一個優勢——能夠免疫許多由多線程引起的問題。

 

4.1 餓漢式單例的實現方式

 

餓漢式單例的實現如下：

//餓漢式實現public class SingleB {    private static final SingleB INSTANCE = new SingleB();    private SingleB() {}    public static SingleB getInstance() {        return INSTANCE;    }}

對於一個餓漢式單例的寫法來說，它基本上是完美的了。

 

所以它的缺點也就只是餓漢式單例本身的缺點所在了——由於INSTANCE的初始化是在類載入時進行的，而類的載入是由ClassLoader來做的，所以開發人員本來對於它初始化的時機就很難去準確把握：

 

1. 可能由於初始化的太早，造成資源的浪費

    

2. 如果初始化本身依賴於一些其他資料，那麼也就很難保證其他資料會在它初始化之前準備好。

 

當然，如果所需的單例佔用的資源很少，並且也不依賴於其他資料，那麼這種實現方式也是很好的。

 

知識點：什麼時候是類裝載時？

 

前面提到了單例在類裝載時被執行個體化，那究竟什麼時候才是『類裝載時』呢？

 

不嚴格的說，大致有這麼幾個條件會觸發一個類被載入：

 

1. new一個對象時

2. 使用反射建立它的執行個體時

3. 子類被載入時，如果父類還沒被載入，就先載入父類

4. jvm啟動時執行的主類會首先被載入

 

5. 一些其他的實現方式

 

5.1 Effective Java 1 —— 靜態內部類

 

《Effective Java》一書的第一版中推薦了一個中寫法：

// Effective Java 第一版推薦寫法public class Singleton {    private static class SingletonHolder {        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();    }    private Singleton (){}    public static final Singleton getInstance() {        return SingletonHolder.INSTANCE;    }}

這種寫法非常巧妙：

 

• 對於內部類SingletonHolder，它是一個餓漢式的單例實現，在SingletonHolder初始化的時候會由ClassLoader來保證同步，使INSTANCE是一個真·單例。

   

• 同時，由於SingletonHolder是一個內部類，只在外部類的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被載入的時機也就是在getInstance()方法第一次被調用的時候。

 

——它利用了ClassLoader來保證了同步，同時又能讓開發人員控制類載入的時機。從內部看是一個餓漢式的單例，但是從外部看來，又的確是懶漢式的實現。

 

簡直是神乎其技。

 

5.2 Effective Java 2 —— 枚舉

 

你以為到這就算完了？不，並沒有，因為厲害的大神又發現了其他的方法。

 

《Effective Java》的作者在這本書的第二版又推薦了另外一種方法，來直接看代碼：

// Effective Java 第二版推薦寫法public enum SingleInstance {    INSTANCE;    public void fun1() {         // do something    }} // 使用SingleInstance.INSTANCE.fun1();

看到了嗎？這是一個枚舉類型……連class都不用了，極簡。

 

由於建立枚舉執行個體的過程是安全執行緒的，所以這種寫法也沒有同步的問題。

 

作者對這個方法的評價：

 

這種寫法在功能上與共有域方法相近，但是它更簡潔，無償地提供了序列化機制，絕對防止對此執行個體化，即使是在面對複雜的序列化或者反射攻擊的時候。雖然這中方法還沒有廣泛採用，但是單元素的枚舉類型已經成為實現Singleton的最佳方法。

 

枚舉單例這種方法問世一些，許多分析文章都稱它是實現單例的最完美方法——寫法超級簡單，而且又能解決大部分的問題。

 

不過我個人認為這種方法雖然很優秀，但是它仍然不是完美的——比如，在需要繼承的情境，它就不適用了。

 

6. 總結

 

OK，看到這裡，你還會覺得單例模式是最簡單的設計模式了嗎？再回頭看一下你之前代碼中的單例實現，覺得是無懈可擊的嗎？

 

可能我們在實際的開發中，對單例的實現並沒有那麼嚴格的要求。比如，我如果能保證所有的getInstance都是在一個線程的話，那其實第一種最簡單的教科書方式就夠用了。再比如，有時候，我的單例變成了多例也可能對程式沒什麼太大影響……

 

但是，如果我們能瞭解更多其中的細節，那麼如果哪天程式出了些問題，我們起碼能多一個排查問題的點。早點解決問題，就能早點回家吃飯……

 

—— 還有，完美的方案是不存在，任何方式都會有一個『度』的問題。比如，你的覺得代碼已經無懈可擊了，但是因為你用的是JAVA語言，可能ClassLoader有些BUG啊……你的代碼誰運行在JVM上的，可能JVM本身有BUG啊……你的代碼運行在手機上，可能手機系統有問題啊……你生活在這個宇宙裡，可能宇宙本身有些BUG啊……

 

所以，儘力做到能做到的最好就行了。

 

原文轉載：https://www.cnblogs.com/dongyu666/p/6971783.html

在java中寫出完美的單例模式