Java单例模式的几种形式

supperzq 3年前
   <p>单例模式有5种写法:饿汉式、懒汉式、双重检验锁、内部类、枚举。本文主要对几种单例写法的整理,并分析其优缺点。</p>    <p><strong>懒汉式,线程不安全</strong></p>    <pre>  <code class="language-java">public class Singleton {      private static Singleton instance;      private Singleton (){}        public static Singleton getInstance() {       if (instance == null) {           instance = new Singleton();       }       return instance;      }  }</code></pre>    <p>这段代码简单明了,而且使用了懒加载模式,但是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候,就会创建多个实例。也就是说在多线程下不能正常工作。</p>    <p><strong>懒汉式,线程安全</strong></p>    <p>为了解决上面的问题,最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步(synchronized)。</p>    <pre>  <code class="language-java">public static synchronized Singleton getInstance() {      if (instance == null) {          instance = new Singleton();      }      return instance;  }</code></pre>    <p>虽然做到了线程安全,并且解决了多实例的问题,但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要,即第一次创建单例实例对象时。这就引出了双重检验锁。</p>    <p><strong>双重检验锁模式</strong></p>    <p>双重检验锁模式(double checked locking pattern),是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁,因为会有两次检查instance = null,一次是在同步块外,一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次?因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if,如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。</p>    <pre>  <code class="language-java">public static Singleton getSingleton() {      if (instance == null) {                         //Single Checked          synchronized (Singleton.class) {              if (instance == null) {                 //Double Checked                  instance = new Singleton();              }          }      }      return instance ;  }</code></pre>    <p>这段代码看起来很完美,很可惜,它是有问题。主要在于instance = 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。</p>    <ol>     <li>给 instance 分配内存</li>     <li>调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量</li>     <li>将instance对象指向分配的内存空间(执行完这步 instance 就为非 null 了)</li>    </ol>    <p>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。</p>    <p>我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。</p>    <pre>  <code class="language-java">public class Singleton {      private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile      private Singleton (){}        public static Singleton getSingleton() {          if (instance == null) {                                       synchronized (Singleton.class) {                  if (instance == null) {                             instance = new Singleton();                  }              }          }          return instance;      }       }</code></pre>    <p>有些人认为使用 volatile 的原因是可见性,也就是可以保证线程在本地不会存有 instance 的副本,每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用 volatile 的主要原因是其另一个特性:禁止指令重排序优化。也就是说,在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障(生成的汇编代码上),读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子,取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后,不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话,就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作(这里的“后面”是时间上的先后顺序)。</p>    <p>但是特别注意在 Java  5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是  <a href="/misc/goto?guid=4959730847780971835" rel="nofollow,noindex">Java</a> 5 以前的 JMM (Java 内存模型)是存在缺陷的,即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序,主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复,所以在这之后才可以放心使用 volatile。</p>    <p>相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式,当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。</p>    <p><strong>饿汉式</strong></p>    <p>这种方法非常简单,因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了,在第一次加载类到内存中时就会初始化,所以创建实例本身是线程安全的。</p>    <pre>  <code class="language-java">public class Singleton{      //类加载时就初始化      private static final Singleton instance = new Singleton();            private Singleton(){}        public static Singleton getInstance(){          return instance;      }  }</code></pre>    <p>这种写法如果完美的话,就没必要在啰嗦那么多双检锁的问题了。缺点是它不是一种懒加载模式(lazy initialization),单例会在加载类后一开始就被初始化,即使客户端没有调用 getInstance()方法。饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用:譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的,在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它,那样这种单例写法就无法使用了。</p>    <p><strong>静态内部类</strong></p>    <pre>  <code class="language-java">public class Singleton {        private static class SingletonHolder {            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();        }        private Singleton (){}        public static final Singleton getInstance() {            return SingletonHolder.INSTANCE;       }    }</code></pre>    <p>使用《Effective Java》上所推荐的静态内部类的方法,这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题;由于 SingletonHolder 是私有的,除了 getInstance() 之外没有办法访问它,因此它是懒汉式的;同时读取实例的时候不会进行同步,没有性能缺陷;也不依赖 JDK 版本。</p>    <p><strong>枚举</strong></p>    <p>用枚举写单例实在太简单了!这也是它最大的优点。下面这段代码就是声明枚举实例的通常做法。</p>    <pre>  <code class="language-java">public enum EasySingleton{      INSTANCE;  }</code></pre>    <p>我们可以通过EasySingleton.INSTANCE来访问实例,这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的,所以不需要担心double checked locking,而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。但是还是很少看到有人这样写,可能是因为不太熟悉吧。</p>    <p>总结:一般来说,单例模式有五种写法:懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举。上述所说都是线程安全的实现,文章开头给出的第一种方法不算正确的写法。</p>    <p>就我个人而言,一般情况下直接使用饿汉式就好了,如果明确要求要懒加载(lazy initialization)会倾向于使用静态内部类,如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。</p>    <p> </p>    <p>来自:https://my.oschina.net/u/3174448/blog/876509</p>    <p> </p>