Java單例模式實現

jaysun 發布于2019-08-16 16:58 / 383人閱讀

摘要：所以，在版本前，雙重檢查鎖形式的單例模式是無法保證線程安全的。

單例模式可能是代碼最少的模式了，但是少不一定意味著簡單，想要用好、用對單例模式，還真得費一番腦筋。本文對Java中常見的單例模式寫法做了一個總結，如有錯漏之處，懇請讀者指正。

餓漢法

顧名思義，餓漢法就是在第一次引用該類的時候就創建對象實例，而不管實際是否需要創建。代碼如下：

public class Singleton {

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

}

這樣做的好處是編寫簡單，但是無法做到延遲創建對象。但是我們很多時候都希望對象可以盡可能地延遲加載，從而減小負載，所以就需要下面的懶漢法：

懶漢法單線程寫法

這種寫法是最簡單的，由私有構造器和一個公有靜態工廠方法構成，在工廠方法中對singleton進行null判斷，如果是null就new一個出來，最后返回singleton對象。這種方法可以實現延時加載，但是有一個致命弱點：線程不安全。如果有兩條線程同時調用getSingleton()方法，就有很大可能導致重復創建對象。

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

考慮線程安全的寫法
這種寫法考慮了線程安全，將對singleton的null判斷以及new的部分使用synchronized進行加鎖。同時，對singleton對象使用volatile關鍵字進行限制，保證其對所有線程的可見性，并且禁止對其進行指令重排序優化。如此即可從語義上保證這種單例模式寫法是線程安全的。注意，這里說的是語義上，實際使用中還是存在小坑的，會在后文寫到。

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;
    }    
}

兼顧線程安全和效率的寫法
雖然上面這種寫法是可以正確運行的，但是其效率低下，還是無法實際應用。因為每次調用getSingleton()方法，都必須在synchronized這里進行排隊，而真正遇到需要new的情況是非常少的。所以，就誕生了第三種寫法：

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;
    }    
}

這種寫法被稱為“雙重檢查鎖”，顧名思義，就是在getSingleton()方法中，進行兩次null檢查。看似多此一舉，但實際上卻極大提升了并發度，進而提升了性能。為什么可以提高并發度呢？就像上文說的，在單例中new的情況非常少，絕大多數都是可以并行的讀操作。因此在加鎖前多進行一次null檢查就可以減少絕大多數的加鎖操作，執行效率提高的目的也就達到了。

坑
-

那么，這種寫法是不是絕對安全呢？前面說了，從語義角度來看，并沒有什么問題。但是其實還是有坑。說這個坑之前我們要先來看看volatile這個關鍵字。其實這個關鍵字有兩層語義。第一層語義相信大家都比較熟悉，就是可見性。可見性指的是在一個線程中對該變量的修改會馬上由工作內存（Work Memory）寫回主內存（Main Memory），所以會馬上反應在其它線程的讀取操作中。順便一提，工作內存和主內存可以近似理解為實際電腦中的高速緩存和主存，工作內存是線程獨享的，主存是線程共享的。volatile的第二層語義是禁止指令重排序優化。大家知道我們寫的代碼（尤其是多線程代碼），由于編譯器優化，在實際執行的時候可能與我們編寫的順序不同。編譯器只保證程序執行結果與源代碼相同，卻不保證實際指令的順序與源代碼相同。這在單線程看起來沒什么問題，然而一旦引入多線程，這種亂序就可能導致嚴重問題。volatile關鍵字就可以從語義上解決這個問題。

注意，前面反復提到“從語義上講是沒有問題的”，但是很不幸，禁止指令重排優化這條語義直到jdk1.5以后才能正確工作。此前的JDK中即使將變量聲明為volatile也無法完全避免重排序所導致的問題。所以，在jdk1.5版本前，雙重檢查鎖形式的單例模式是無法保證線程安全的。

靜態內部類法

那么，有沒有一種延時加載，并且能保證線程安全的簡單寫法呢？我們可以把Singleton實例放到一個靜態內部類中，這樣就避免了靜態實例在Singleton類加載的時候就創建對象，并且由于靜態內部類只會被加載一次(JVM機制)，所以這種寫法也是線程安全的：

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

但是，上面提到的所有實現方式都有兩個共同的缺點：

都需要額外的工作(Serializable、transient、readResolve())來實現序列化，否則每次反序列化一個序列化的對象實例時都會創建一個新的實例。

可能會有人使用反射強行調用我們的私有構造器（如果要避免這種情況，可以修改構造器，讓它在創建第二個實例的時候拋異常）。

枚舉寫法

當然，還有一種更加優雅的方法來實現單例模式，那就是枚舉寫法：

public enum Singleton {

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

}
使用枚舉除了線程安全和防止反射強行調用構造器之外，還提供了自動序列化機制，防止反序列化的時候創建新的對象。因此，Effective Java推薦盡可能地使用枚舉來實現單例。

總結
這篇文章發出去以后得到許多反饋，這讓我受寵若驚，覺得應該再寫一點小結。代碼沒有一勞永逸的寫法，只有在特定條件下最合適的寫法。在不同的平臺、不同的開發環境（尤其是jdk版本）下，自然有不同的最優解（或者說較優解）。
比如枚舉，雖然Effective Java中推薦使用，但是在Android平臺上卻是不被推薦的。在這篇Android Training中明確指出：

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

再比如雙重檢查鎖法，不能在jdk1.5之前使用，而在Android平臺上使用就比較放心了（一般Android都是jdk1.6以上了，不僅修正了volatile的語義問題，還加入了不少鎖優化，使得多線程同步的開銷降低不少）。

最后，不管采取何種方案，請時刻牢記單例的三大要點：

線程安全
延遲加載
序列化與反序列化安全

參考資料
《Effective Java（第二版）》
《深入理解Java虛擬機——JVM高級特性與最佳實踐（第二版）》

轉載出自https://www.cnblogs.com/andy-...

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