在java中写出完美的单例模式

Posted 2020-09-22 風の嵂菄

1. 前言

 

单例(Singleton)应该是开发者们最熟悉的设计模式了，并且好像也是最容易实现的——基本上每个开发者都能够随手写出——但是，真的是这样吗？

 

作为一个Java开发者，也许你觉得自己对单例模式的了解已经足够多了。我并不想危言耸听说一定还有你不知道的——毕竟我自己的了解也的确有限，但究竟你自己了解的程度到底怎样呢？往下看，我们一起来聊聊看~

 

 

2. 什么是单例？

 

单例对象的类必须保证只有一个实例存在——这是维基百科上对单例的定义，这也可以作为对意图实现单例模式的代码进行检验的标准。

 

对单例的实现可以分为两大类——懒汉式和饿汉式，他们的区别在于：

 

• 懒汉式：指全局的单例实例在第一次被使用时构建。

• 饿汉式：指全局的单例实例在类装载时构建。

 

从它们的区别也能看出来，日常我们使用的较多的应该是懒汉式的单例，毕竟按需加载才能做到资源的最大化利用嘛~

 

3. 懒汉式单例

 

先来看一下懒汉式单例的实现方式。

 

3.1 简单版本

 

看最简单的写法Version 1：

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

或者再进一步，把构造器改为私有的，这样能够防止被外部的类调用。

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

我仿佛记得当初学校的教科书就是这么教的？—— 每次获取instance之前先进行判断，如果instance为空就new一个出来，否则就直接返回已存在的instance。

 

这种写法在大多数的时候也是没问题的。问题在于，当多线程工作的时候，如果有多个线程同时运行到if (instance == null)，都判断为null，那么两个线程就各自会创建一个实例——这样一来，就不是单例了。

 

3.2 synchronized版本

 

那既然可能会因为多线程导致问题，那么加上一个同步锁吧！

 

修改后的代码如下，相对于Version1.1，只是在方法签名上多加了一个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关键字之后，getInstance方法就会锁上了。如果有两个线程（T1、T2）同时执行到这个方法时，会有其中一个线程T1获得同步锁，得以继续执行，而另一个线程T2则需要等待，当第T1执行完毕getInstance之后（完成了null判断、对象创建、获得返回值之后），T2线程才会执行执行。——所以这端代码也就避免了Version1中，可能出现因为多线程导致多个实例的情况。

 

但是，这种写法也有一个问题：给gitInstance方法加锁，虽然会避免了可能会出现的多个实例问题，但是会强制除T1之外的所有线程等待，实际上会对程序的执行效率造成负面影响。

 

3.3 双重检查（Double-Check）版本

 

Version2代码相对于Version1d代码的效率问题，其实是为了解决1%几率的问题，而使用了一个100%出现的防护盾。那有一个优化的思路，就是把100%出现的防护盾，也改为1%的几率出现，使之只出现在可能会导致多个实例出现的地方。

 

——有没有这样的方法呢？当然是有的，改进后的代码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;
    }
}

这个版本的代码看起来有点复杂，注意其中有两次if (instance == null)的判断，这个叫做『双重检查 Double-Check』。

 

• 第一个if (instance == null)，其实是为了解决Version2中的效率问题，只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段——大大减少了几率。

   

• 第二个if (instance == null)，则是跟Version2一样，是为了防止可能出现多个实例的情况。

 

—— 这段代码看起来已经完美无瑕了。

……

……

……

—— 当然，只是『看起来』，还是有小概率出现问题的。

 

这弄清楚为什么这里可能出现问题，首先，我们需要弄清楚几个概念：原子操作、指令重排。

 

知识点：什么是原子操作？

 

简单来说，原子操作（atomic）就是不可分割的操作，在计算机中，就是指不会因为线程调度被打断的操作。

 

比如，简单的赋值是一个原子操作：

m = 6; // 这是个原子操作

假如m原先的值为0，那么对于这个操作，要么执行成功m变成了6，要么是没执行m还是0，而不会出现诸如m=3这种中间态——即使是在并发的线程中。

 

而，声明并赋值就不是一个原子操作：

int n = 6; // 这不是一个原子操作

对于这个语句，至少有两个操作：

 

①声明一个变量n

②给n赋值为6

 

——这样就会有一个中间状态：变量n已经被声明了但是还没有被赋值的状态。

——这样，在多线程中，由于线程执行顺序的不确定性，如果两个线程都使用m，就可能会导致不稳定的结果出现。

 

知识点：什么是指令重排？

 

简单来说，就是计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。

比如，这一段代码：

int a ;   // 语句1 

a = 8 ;   // 语句2

int b = 9 ;     // 语句3

int c = a + b ; // 语句4

正常来说，对于顺序结构，执行的顺序是自上到下，也即1234。

 

但是，由于指令重排的原因，因为不影响最终的结果，所以，实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。

 

由于语句3和4没有原子性的问题，语句3和语句4也可能会拆分成原子操作，再重排。

 

——也就是说，对于非原子性的操作，在不影响最终结果的情况下，其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。

 

OK，了解了原子操作和指令重排的概念之后，我们再继续看Version3代码的问题。

 

下面这段话直接从陈皓的文章(深入浅出单实例SINGLETON设计模式)中复制而来：

 

主要在于singleton = 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 singleton 分配内存

 

2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例

 

3. 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 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。

 

再稍微解释一下，就是说，由于有一个『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance == null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。

 

这里的关键在于——线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。

 

3.4 终极版本：volatile

 

对于Version3中可能出现的问题（当然这种概率已经非常小了，但毕竟还是有的嘛~），解决方案是：只需要给instance的声明加上volatile关键字即可，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关键字的一个作用是禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障（什么是内存屏障？），这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。

 

注意：volatile阻止的不singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。

 

——也就彻底防止了Version3中的问题发生。

——好了，现在彻底没什么问题了吧？

……

……

……

 

好了，别紧张，的确没问题了。大名鼎鼎的EventBus中，其入口方法EventBus.getDefault()就是用这种方法来实现的。

……

……

……

不过，非要挑点刺的话还是能挑出来的，就是这个写法有些复杂了，不够优雅、简洁。

 

4. 饿汉式单例

 

下面再聊了解一下饿汉式的单例。

 

如上所说，饿汉式单例是指：指全局的单例实例在类装载时构建的实现方式。

 

由于类装载的过程是由类加载器（ClassLoader）来执行的，这个过程也是由JVM来保证同步的，所以这种方式先天就有一个优势——能够免疫许多由多线程引起的问题。

 

4.1 饿汉式单例的实现方式

 

饿汉式单例的实现如下：

//饿汉式实现

public class SingleB {

    private static final SingleB INSTANCE = new SingleB();

    private SingleB() {}

    public static SingleB getInstance() {

        return INSTANCE;

    }

}

对于一个饿汉式单例的写法来说，它基本上是完美的了。

 

所以它的缺点也就只是饿汉式单例本身的缺点所在了——由于INSTANCE的初始化是在类加载时进行的，而类的加载是由ClassLoader来做的，所以开发者本来对于它初始化的时机就很难去准确把握：

 

1. 可能由于初始化的太早，造成资源的浪费

    

2. 如果初始化本身依赖于一些其他数据，那么也就很难保证其他数据会在它初始化之前准备好。

 

当然，如果所需的单例占用的资源很少，并且也不依赖于其他数据，那么这种实现方式也是很好的。

 

知识点：什么时候是类装载时？

 

前面提到了单例在类装载时被实例化，那究竟什么时候才是『类装载时』呢？

 

不严格的说，大致有这么几个条件会触发一个类被加载：

 

1. new一个对象时

2. 使用反射创建它的实例时

3. 子类被加载时，如果父类还没被加载，就先加载父类

4. jvm启动时执行的主类会首先被加载

 

5. 一些其他的实现方式

 

5.1 Effective Java 1 —— 静态内部类

 

《Effective Java》一书的第一版中推荐了一个中写法：

// Effective Java 第一版推荐写法

public class Singleton {

    private static class SingletonHolder {

        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    }

    private Singleton (){}

    public static final Singleton getInstance() {

        return SingletonHolder.INSTANCE;

    }

}

这种写法非常巧妙：

 

• 对于内部类SingletonHolder，它是一个饿汉式的单例实现，在SingletonHolder初始化的时候会由ClassLoader来保证同步，使INSTANCE是一个真·单例。

   

• 同时，由于SingletonHolder是一个内部类，只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。

 

——它利用了ClassLoader来保证了同步，同时又能让开发者控制类加载的时机。从内部看是一个饿汉式的单例，但是从外部看来，又的确是懒汉式的实现。

 

简直是神乎其技。

 

5.2 Effective Java 2 —— 枚举

 

你以为到这就算完了？不，并没有，因为厉害的大神又发现了其他的方法。

 

《Effective Java》的作者在这本书的第二版又推荐了另外一种方法，来直接看代码：

// Effective Java 第二版推荐写法

public enum SingleInstance {

    INSTANCE;

    public void fun1() { 

        // do something

    }

}

 

// 使用

SingleInstance.INSTANCE.fun1();

看到了么？这是一个枚举类型……连class都不用了，极简。

 

由于创建枚举实例的过程是线程安全的，所以这种写法也没有同步的问题。

 

作者对这个方法的评价：

 

这种写法在功能上与共有域方法相近，但是它更简洁，无偿地提供了序列化机制，绝对防止对此实例化，即使是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这中方法还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

 

枚举单例这种方法问世一些，许多分析文章都称它是实现单例的最完美方法——写法超级简单，而且又能解决大部分的问题。

 

不过我个人认为这种方法虽然很优秀，但是它仍然不是完美的——比如，在需要继承的场景，它就不适用了。

 

6. 总结

 

OK，看到这里，你还会觉得单例模式是最简单的设计模式了么？再回头看一下你之前代码中的单例实现，觉得是无懈可击的么？

 

可能我们在实际的开发中，对单例的实现并没有那么严格的要求。比如，我如果能保证所有的getInstance都是在一个线程的话，那其实第一种最简单的教科书方式就够用了。再比如，有时候，我的单例变成了多例也可能对程序没什么太大影响……

 

但是，如果我们能了解更多其中的细节，那么如果哪天程序出了些问题，我们起码能多一个排查问题的点。早点解决问题，就能早点回家吃饭……

 

—— 还有，完美的方案是不存在，任何方式都会有一个『度』的问题。比如，你的觉得代码已经无懈可击了，但是因为你用的是JAVA语言，可能ClassLoader有些BUG啊……你的代码谁运行在JVM上的，可能JVM本身有BUG啊……你的代码运行在手机上，可能手机系统有问题啊……你生活在这个宇宙里，可能宇宙本身有些BUG啊……

 

所以，尽力做到能做到的最好就行了。

 

—— 感谢你花费了不少时间看到这里，但愿你没有觉得虚度。