如何正確地寫出單例模式

yangxi_001發表於2017-05-16
單例模式

轉自：http://wuchong.me/blog/2014/08/28/how-to-correctly-write-singleton-pattern/

單例模式算是設計模式中最容易理解，也是最容易手寫程式碼的模式了吧。但是其中的坑卻不少，所以也常作為面試題來考。本文主要對幾種單例寫法的整理，並分析其優缺點。很多都是一些老生常談的問題，但如果你不知道如何建立一個執行緒安全的單例，不知道什麼是雙檢鎖，那這篇文章可能會幫助到你。

懶漢式，執行緒不安全

當被問到要實現一個單例模式時，很多人的第一反應是寫出如下的程式碼，包括教科書上也是這樣教我們的。

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




這段程式碼簡單明瞭，而且使用了懶載入模式，但是卻存在致命的問題。當有多個執行緒並行呼叫 getInstance() 的時候，就會建立多個例項。也就是說在多執行緒下不能正常工作。




懶漢式，執行緒安全



為了解決上面的問題，最簡單的方法是將整個 getInstance() 方法設為同步（synchronized）。










public static synchronized Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        instance = new Singleton();
    }
    return instance;
}




雖然做到了執行緒安全，並且解決了多例項的問題，但是它並不高效。因為在任何時候只能有一個執行緒呼叫 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次呼叫時才被需要，即第一次建立單例例項物件時。這就引出了雙重檢驗鎖。



雙重檢驗鎖



雙重檢驗鎖模式（double checked locking pattern），是一種使用同步塊加鎖的方法。程式設計師稱其為雙重檢查鎖，因為會有兩次檢查 instance == null，一次是在同步塊外，一次是在同步塊內。為什麼在同步塊內還要再檢驗一次？因為可能會有多個執行緒一起進入同步塊外的
 if，如果在同步塊內不進行二次檢驗的話就會生成多個例項了。










public static Singleton getSingleton() {
    if (instance == null) {                         //Single Checked
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {                 //Double Checked
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance ;
}




這段程式碼看起來很完美，很可惜，它是有問題。主要在於instance = new Singleton()這句，這並非是一個原子操作，事實上在 JVM 中這句話大概做了下面 3 件事情。


  1. 給 instance 分配記憶體
  2. 呼叫 Singleton 的建構函式來初始化成員變數
  3. 將instance物件指向分配的記憶體空間（執行完這步 instance 就為非 null 了）

但是在 JVM 的即時編譯器中存在指令重排序的優化。也就是說上面的第二步和第三步的順序是不能保證的，最終的執行順序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是後者，則在 3 執行完畢、2 未執行之前，被執行緒二搶佔了，這時 instance 已經是非 null 了（但卻沒有初始化），所以執行緒二會直接返回 instance，然後使用，然後順理成章地報錯。



我們只需要將 instance 變數宣告成 volatile 就可以了。










public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance; //宣告成 volatile
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {                         
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {       
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
   
}




有些人認為使用 volatile 的原因是可見性，也就是可以保證執行緒在本地不會存有 instance 的副本，每次都是去主記憶體中讀取。但其實是不對的。使用 volatile 的主要原因是其另一個特性：禁止指令重排序優化。也就是說，在 volatile 變數的賦值操作後面會有一個記憶體屏障（生成的彙編程式碼上），讀操作不會被重排序到記憶體屏障之前。比如上面的例子，取操作必須在執行完 1-2-3 之後或者 1-3-2 之後，不存在執行到 1-3 然後取到值的情況。從「先行發生原則」的角度理解的話，就是對於一個 volatile
 變數的寫操作都先行發生於後面對這個變數的讀操作（這裡的“後面”是時間上的先後順序）。



但是特別注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的雙檢鎖還是有問題的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 記憶體模型）是存在缺陷的，即時將變數宣告成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 變數前後的程式碼仍然存在重排序問題。這個 volatile 遮蔽重排序的問題在 Java 5 中才得以修復，所以在這之後才可以放心使用 volatile。



相信你不會喜歡這種複雜又隱含問題的方式，當然我們有更好的實現執行緒安全的單例模式的辦法。



餓漢式
 static final field



這種方法非常簡單，因為單例的例項被宣告成 static 和 final 變數了，在第一次載入類到記憶體中時就會初始化，所以建立例項本身是執行緒安全的。










public class Singleton{
    //類載入時就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}




這種寫法如果完美的話，就沒必要在囉嗦那麼多雙檢鎖的問題了。缺點是它不是一種懶載入模式（lazy initialization），單例會在載入類後一開始就被初始化，即使客戶端沒有呼叫 getInstance()方法。餓漢式的建立方式在一些場景中將無法使用：譬如 Singleton 例項的建立是依賴引數或者配置檔案的，在 getInstance() 之前必須呼叫某個方法設定引數給它，那樣這種單例寫法就無法使用了。



靜態內部類
 static nested class



我比較傾向於使用靜態內部類的方法，這種方法也是《Effective Java》上所推薦的。










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




這種寫法仍然使用JVM本身機制保證了執行緒安全問題；由於 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外沒有辦法訪問它，因此它是懶漢式的；同時讀取例項的時候不會進行同步，沒有效能缺陷；也不依賴 JDK 版本。



列舉
 Enum



用列舉寫單例實在太簡單了！這也是它最大的優點。下面這段程式碼就是宣告列舉例項的通常做法。




public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}




我們可以通過EasySingleton.INSTANCE來訪問例項，這比呼叫getInstance()方法簡單多了。建立列舉預設就是執行緒安全的，所以不需要擔心double checked locking，而且還能防止反序列化導致重新建立新的物件。但是還是很少看到有人這樣寫，可能是因為不太熟悉吧。



總結



一般來說，單例模式有五種寫法：懶漢、餓漢、雙重檢驗鎖、靜態內部類、列舉。上述所說都是執行緒安全的實現，文章開頭給出的第一種方法不算正確的寫法。



就我個人而言，一般情況下直接使用餓漢式就好了，如果明確要求要懶載入（lazy initialization）會傾向於使用靜態內部類，如果涉及到反序列化建立物件時會試著使用列舉的方式來實現單例。



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