Java单例模式

单例模式的主要目的是希望对象只创建一个实例,并且提供一个全局的访问点。

public class SingletonKerriganA {  
    private static SingletonKerriganA instance = null;  
 
    public static SingletonKerriganA getInstance() {  
        if (instance == null) {                              
            instance = new SingletonKerriganA(); 
        }  
        return instance;  
    }  
}

假设这样的场景:两个线程并发调用SingletonKerriganA.getInstance(),假设线程一先判断完instance是否为null,既代码中的line A进入到line B的位置。刚刚判断完毕后,JVM将CPU资源切换给线程二,由于线程一还没执行line B,所以instance仍然是空的,因此线程二执行了new SignletonKerriganA()操作。片刻之后,线程一被重新唤醒,它执行的仍然是new SignletonKerriganA()操作,好了,问题来了,两个Kerrigan谁是李逵谁是李鬼?

紧接着,我们做单例模式的第二次尝试:

public class SingletonKerriganB {   
    private static SingletonKerriganB instance = null;  
 
    public synchronized static SingletonKerriganB getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new SingletonKerriganB();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

比起第一段代码仅仅在方法中多了一个synchronized修饰符,现在可以保证不会出线程问题了。但是这里有个很大(至少耗时比例上很大)的性能问题。除了第一次调用时是执行了SingletonKerriganB的构造函数之外,以后的每一次调用都是直接返回instance对象。返回对象这个操作耗时是很小的,绝大部分的耗时都用在synchronized修饰符的同步准备上,因此从性能上说很不划算。

那继续把代码改成下面的样子:

public class SingletonKerriganC {  
    private static SingletonKerriganC instance = null;  
 
    public static SingletonKerriganC getInstance() {  
        synchronized (SingletonKerriganC.class) {  
            if (instance == null) {  
                instance = new SingletonKerriganC();  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
}

基本上,把synchronized移动到代码内部是没有什么意义的,每次调用getInstance()还是要进行同步。同步本身没有问题,但是我们只希望在第一次创建Kerrigan实例的时候进行同步,因此我们有了下面的写法——双重锁定检查(DCL)。

public class SingletonKerriganD {   
    private static SingletonKerriganD instance = null;  
 
    public static SingletonKerriganD getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            synchronized (SingletonKerriganD.class) {  
                if (instance == null) {  
                    instance = new SingletonKerriganD();  
                }  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
}

看起来这样已经达到了我们的要求,除了第一次创建对象之外,其他的访问在第一个if中就返回了,因此不会走到同步块中。已经完美了吗?

我们来看看这个场景:假设线程一执行到instance = new SingletonKerriganD()这句,这里看起来是一句话,但实际上它并不是一个原子操作(原子操作的意思就是这条语句要么就被执行完,要么就没有被执行过,不能出现执行了一半这种情形)。事实上高级语言里面非原子操作有很多,我们只要看看这句话被编译后在JVM执行的对应汇编代码就发现,这句话被编译成8条汇编指令,大致做了3件事情:

1.给Kerrigan的实例分配内存。
2.初始化Kerrigan的构造器
3.将instance对象指向分配的内存空间(注意到这步instance就非null了)。

但是,由于Java编译器允许处理器乱序执行(out-of-order),以及JDK1.5之前JMM(Java Memory Medel)中Cache、寄存器到主内存回写顺序的规定,上面的第二点和第三点的顺序是无法保证的,也就是说,执行顺序可能是1-2-3也可能是1-3-2,如果是后者,并且在3执行完毕、2未执行之前,被切换到线程二上,这时候instance因为已经在线程一内执行过了第三点,instance已经是非空了,所以线程二直接拿走instance,然后使用,然后顺理成章地报错,而且这种难以跟踪难以重现的错误估计调试上一星期都未必能找得出来,真是一茶几的杯具啊。

代码倒越来越复杂了,现在先来个返璞归真,根据JLS(Java Language Specification)中的规定,一个类在一个ClassLoader中只会被初始化一次,这点是JVM本身保证的,那就把初始化实例的事情扔给JVM好了,代码被改成这样:

public class SingletonKerriganE {  
    private static SingletonKerriganE instance = new SingletonKerriganE();  
 
    public static SingletonKerriganE getInstance() {  
        return instance;  
    }  
}

好吧,如果这种写法是完美的话,那前面那么几大段话就是作者在消遣各位读者。这种写法不会出现并发问题,但是它是饿汉式的,在ClassLoader加载类后Kerrigan的实例就会第一时间被创建,饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用:譬如Kerrigan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。

public class SingletonKerriganF {    
    private static class SingletonHolder {  
        static final SingletonKerriganF INSTANCE = new SingletonKerriganF();  
    }  
 
    public static SingletonKerriganF getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

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。

一般我们会加入一个private或者protected的构造函数,这样系统就不会自动添加那个public的构造函数了,因此只能调用里面的static方法,无法通过new创建对象。

如果单例对象有必要实现Serializable接口(很少出现),则应当同时实现readResolve()方法来保证反序列化的时候得到原来的对象。

public class SingletonKerrigan implements Serializable {     
    private static class SingletonHolder {  
        static final SingletonKerrigan INSTANCE = new SingletonKerrigan();  
    }  
 
    public static SingletonKerrigan getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
 
    /** 
     * private的构造函数用于避免外界直接使用new来实例化对象 
     */  
    private SingletonKerrigan() {  
    }  
 
    /** 
     * readResolve方法应对单例对象被序列化时候 
     */  
    private Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}
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