单例模式的几种写法你用的哪种?

发布于: 2020 年 07 月 16 日
单例模式的几种写法你用的哪种?

作者:吃桔子的攻城狮

来源:http://www.tekbroaden.com/singleton-java.html

单例模式可能是代码最少的模式了,但是少不一定意味着简单,想要用好、用对单例模式,还真得费一番脑筋。本文对 Java 中常见的单例模式写法做了一个总结,如有错漏之处,恳请读者指正。

饿汉法

顾名思义,饿汉法就是在第一次引用该类的时候就创建对象实例,而不管实际是否需要创建。代码如下:

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

这样做的好处是编写简单,但是无法做到延迟创建对象。但是我们很多时候都希望对象可以尽可能地延迟加载,从而减小负载,所以就需要下面的懒汉法:

单线程写法

这种写法是最简单的,由私有构造器和一个公有静态工厂方法构成,在工厂方法中对 singleton 进行 null 判断,如果是 null 就 new 一个出来,最后返回 singleton 对象。这种方法可以实现延时加载,但是有一个致命弱点:线程不安全。如果有两条线程同时调用 getSingleton() 方法,就有很大可能导致重复创建对象。

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

考虑线程安全的写法

这种写法考虑了线程安全,将对 singleton 的 null 判断以及 new 的部分使用 synchronized 进行加锁。同时,对 singleton 对象使用 volatile 关键字进行限制,保证其对所有线程的可见性,并且禁止对其进行指令重排序优化。如此即可从语义上保证这种单例模式写法是线程安全的。注意,这里说的是语义上,实际使用中还是存在小坑的,会在后文写到。

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;
}
}

兼顾线程安全和效率的写法

虽然上面这种写法是可以正确运行的,但是其效率低下,还是无法实际应用。因为每次调用 getSingleton() 方法,都必须在 synchronized 这里进行排队,而真正遇到需要 new 的情况是非常少的。所以,就诞生了第三种写法:

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;
}
}

这种写法被称为 “双重检查锁”,顾名思义,就是在 getSingleton() 方法中,进行两次 null 检查。看似多此一举,但实际上却极大提升了并发度,进而提升了性能。为什么可以提高并发度呢?就像上文说的,在单例中 new 的情况非常少,绝大多数都是可以并行的读操作。因此在加锁前多进行一次 null 检查就可以减少绝大多数的加锁操作,执行效率提高的目的也就达到了。

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。

静态内部类法

那么,有没有一种延时加载,并且能保证线程安全的简单写法呢?我们可以把 Singleton 实例放到一个静态内部类中,这样就避免了静态实例在 Singleton 类加载的时候就创建对象,并且由于静态内部类只会被加载一次,所以这种写法也是线程安全的:

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

但是,上面提到的所有实现方式都有两个共同的缺点:

都需要额外的工作 (Serializable、transient、readResolve()) 来实现序列化,否则每次反序列化一个序列化的对象实例时都会创建一个新的实例。可能会有人使用反射强行调用我们的私有构造器(如果要避免这种情况,可以修改构造器,让它在创建第二个实例的时候抛异常)。枚举写法 当然,还有一种更加优雅的方法来实现单例模式,那就是枚举写法:

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

使用枚举除了线程安全和防止反射强行调用构造器之外,还提供了自动序列化机制,防止反序列化的时候创建新的对象。因此,Effective Java 推荐尽可能地使用枚举来实现单例。

总结

这篇文章发出去以后得到许多反馈,这让我受宠若惊,觉得应该再写一点小结。代码没有一劳永逸的写法,只有在特定条件下最合适的写法。在不同的平台、不同的开发环境(尤其是 jdk 版本)下,自然有不同的最优解(或者说较优解)。比如枚举,虽然 Effective Java 中推荐使用,但是在 Android 平台上却是不被推荐的。在这篇 Android Training 中明确指出:

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

再比如双重检查锁法,不能在 jdk1.5 之前使用,而在 Android 平台上使用就比较放心了(一般 Android 都是 jdk1.6 以上了,不仅修正了 volatile 的语义问题,还加入了不少锁优化,使得多线程同步的开销降低不少)。

最后,不管采取何种方案,请时刻牢记单例的三大要点:

  • 线程安全

  • 延迟加载

  • 序列化与反序列化安全

参考资料

《Effective Java(第二版)》

《深入理解 Java 虚拟机——JVM 高级特性与最佳实践(第二版)》

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