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设计模式之——单例模式

简介: 单例模式是我们最常提到的设计模式了,也经常被我们认为是最“简单”的,但想要用好、用对单例模式,还是有许多需要注意的地方。 饿汉法 顾名思义,饿汉式就是第一次引用该类的时候就创建实例对象,而不管是否需要。

单例模式是我们最常提到的设计模式了,也经常被我们认为是最“简单”的,但想要用好、用对单例模式,还是有许多需要注意的地方。

饿汉法

顾名思义,饿汉式就是第一次引用该类的时候就创建实例对象,而不管是否需要。代码如下:

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

这样做的好处是代码简单,但是无法做到延迟加载。但是很多时候我们希望能够延迟加载,从而减小负载,所以就有了下面的懒汉式。

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;
    }
}

懒汉法——线程安全写法

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;
    }    
}

双重检查锁

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。

双重检查锁机制的坑

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。第一层语义大家相对比较熟悉,可见性。可见性是指在一个线程中对该变量的修改由工作内存(Work Memory)写回主内存(Main Memory),所以会马上反应到其他线程的读写操作中。顺便一提,工作内存和主内存可以近似理解成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的第二层语义是防止指令重排。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和我们编写的顺序不同。编译器只保证程序执行结果和源代码相同,却不保证实际指令的顺序和源代码相同。这在单线程没什么问题,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,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

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:

  1. 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。
  2. 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

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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