單例的幾種寫法

Gevin發表於2021-10-13
單例

「核心設計」

把建構函式設定為私有，不允許外部建立類的例項，通過靜態方法getInstance()獲取唯一例項。

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1. 餓漢式

設計類的私有靜態例項instance，在類載入的時候，instance 就已經建立並初始化好了，所以，instance例項的建立過程是執行緒安全的。

通過靜態方法getInstance()返回instance時，不存在競態條件，也是執行緒安全的。

優點：簡單，執行緒安全，效能高

缺點：不支援延遲載入，如果例項佔用資源多或初始化耗時長，提前初始化例項是資源


public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

2. 懶漢式

不事先初始化instance，在getInstance()方法中增加一步，判斷如果instance==null，則先建立例項。

優點：簡單，支援懶載入

缺點：為保證執行緒安全，getInstance()需要上鎖同步，併發度低，當單例被頻繁用到時，會成為效能瓶頸


public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static synchronized IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      instance = new IdGenerator();
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

3. 雙重檢測

為提高懶漢式的併發能力，減小鎖的顆粒度。

優點：既支援懶載入，又支援高併發

缺點：程式碼邏輯複雜，容易寫錯


public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(IdGenerator.class) { // 此處為類級別的鎖
        if (instance == null) {
          instance = new IdGenerator();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

說明：

  1. 同步塊內外兩次檢查instance==null，是為了防止出現併發時，幾個執行緒相繼獲得鎖進入同步塊後，分別建立instance例項，多次賦值
  2. 本程式碼在多執行緒條件下存在競態條件，需要考慮instance變數的可見性和賦值的原子性，故程式碼邏輯複雜，易出錯：
    1. instance要對全部執行緒可見，這個通過synchronized或volatile關鍵字保證，本程式碼基於前者
    2. 賦值的原子性，即instance = new IdGenerator()這一行，在舊版本的java（java7及以下），本語句編譯後不是原子的，若發生指令重排，其他執行緒可能拿到錯誤的instance物件
  3. 基於第2-2點，舊版本的java中，為保證併發時的正確性，instance的宣告語句需要volatile關鍵字避免指令重排，即要改為private volatile static IdGenerator instance;

4. 使用靜態內部類

使用靜態內部類，能達到“雙重檢測”一樣的效果，且實現更簡單，不易出錯。

優點：高併發、執行緒安全、支援懶載入、簡單

缺點：暫無


public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private IdGenerator() {}

  private static class SingletonHolder{
    private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
  }

  public static IdGenerator getInstance() {
    return SingletonHolder.instance;
  }

  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

說明：

  1. SingletonHolder 是一個靜態內部類，當外部類 IdGenerator被載入的時候，並不會建立 SingletonHolder 例項物件；只有當呼叫 getInstance() 方法時，SingletonHolder 才會被載入，這個時候才會建立 instance
  2. instance 的唯一性、建立過程的執行緒安全性，都由 JVM 來保證
  3. 現在若使用Intelij Idea 寫單例，寫一個“雙重檢測”的單例實現後，idea會自動提示重構為“使用內部靜態類”的方式

5. 其他方法

對於Java語言而言，還可以通過列舉型別實現單例，它是通過 Java 列舉型別本身的特性，保證了例項建立的執行緒安全性和例項的唯一性：


public enum IdGenerator {
  INSTANCE;
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);

  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

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