我们再来聊一聊 Java 的单例吧

以你之姓@ 2021-08-19 13:35 393阅读 0赞

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作者 | 张新强

链接 | www.barryzhang.com/archives/521

# **1. 前言** #

`单例(Singleton)`应该是开发者们最熟悉的设计模式了，并且好像也是最容易实现的——基本上每个开发者都能够随手写出——但是，真的是这样吗？

作为一个Java开发者，也许你觉得自己对单例模式的了解已经足够多了。我并不想危言耸听说一定还有你不知道的——毕竟我自己的了解也的确有限，但究竟你自己了解的程度到底怎样呢？往下看，我们一起来聊聊看~

# 2. 什么是单例？ #

`单例对象的类必须保证只有一个实例存在`——这是维基百科上对单例的定义，这也可以作为对意图实现单例模式的代码进行检验的标准。

对单例的实现可以分为两大类——`懒汉式`和`饿汉式`，他们的区别在于：

*  `懒汉式` ： 指全局的单例实例在第一次被使用时构建。
 *  `饿汉式` ： 指全局的单例实例在类装载时构建。

从它们的区别也能看出来，日常我们使用的较多的应该是 `懒汉式` 的单例，毕竟按需加载才能做到资源的最大化利用嘛。

# 3. 懒汉式单例 #

先来看一下懒汉式单例的实现方式。

## 3.1 简单版本 ##

看最简单的写法Version 1：

// Version 1 public class Single1 {    private static Single1 instance;    public static Single1 getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new Single1();        }        return instance;    } }

或者再进一步，把构造器改为私有的，这样能够防止被外部的类调用。

// Version 1.1 public class Single1 {    private static Single1 instance;    private Single1() {}    public static Single1 getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new Single1();        }        return instance;    } }

我仿佛记得当初学校的教科书就是这么教的？ —— 每次获取instance之前先进行判断，如果instance为空就new一个出来，否则就直接返回已存在的instance。  
这种写法在大多数的时候也是没问题的。 **问题在于，当多线程工作的时候，如果有多个线程同时运行到** **`if (instance == null)`，都判断为null，那么两个线程就各自会创建一个实例——这样一来，就不是单例了**。

## 3.2 synchronized版本 ##

那既然可能会因为多线程导致问题，那么加上一个同步锁吧！ 修改后的代码如下，相对于Version1.1，只是在方法签名上多加了一个 `synchronized` ：

// Version 2 public class Single2 {    private static Single2 instance;    private Single2() {}    public static synchronized Single2 getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new Single2();        }        return instance;    } }

OK，加上 `synchronized` 关键字之后，getInstance方法就会锁上了。 如果有两个线程（T1、T2）同时执行到这个方法时，会有其中一个线程T1获得同步锁，得以继续执行，而另一个线程T2则需要等待，当第T1执行完毕getInstance之后（完成了null判断、对象创建、获得返回值之后），T2线程才会执行执行。 ——所以这端代码也就避免了Version1中，可能出现因为多线程导致多个实例的情况。 但是，这种写法也有一个问题： **给gitInstance方法加锁，虽然会避免了可能会出现的多个实例问题，但是会强制除T1之外的所有线程等待，实际上会对程序的执行效率造成负面影响。**

## 3.3 双重检查（Double-Check）版本 ##

Version2代码相对于Version1d代码的效率问题，其实是为了解决1%几率的问题，而使用了一个100%出现的防护盾。 那有一个优化的思路，就是把100%出现的防护盾，也改为1%的几率出现，使之只出现在可能会导致多个实例出现的地方。 ——有没有这样的方法呢？ 当然是有的，改进后的代码Vsersion3如下：

// Version 3 public class Single3 {    private static Single3 instance;    private Single3() {}    public static Single3 getInstance() {        if (instance == null) {            synchronized (Single3.class) {                if (instance == null) {                    instance = new Single3();                }            }        }        return instance;    } }

这个版本的代码看起来有点复杂，注意其中有两次 `if (instance == null)` 的判断，这个叫做『双重检查 Double-Check』。

*  第一个 `if (instance == null)` ，其实是为了解决Version2中的效率问题，只有instance为null的时候，才进入 `synchronized` 的代码段——大大减少了几率。
 *  第二个 `if (instance == null)` ，则是跟Version2一样，是为了防止可能出现多个实例的情况。

这段代码看起来已经完美无瑕了。 当然，只是『看起来』，还是有小概率出现问题的。 这弄清楚为什么这里可能出现问题，首先，我们需要弄清楚几个概念： `原子操作` 、 `指令重排` 。

### 知识点：什么是原子操作？ ###

简单来说， `原子操作（atomic）` 就是不可分割的操作，在计算机中，就是指不会因为线程调度被打断的操作。 比如，简单的赋值是一个原子操作：

> m = 6; // 这是个原子操作

假如m原先的值为0，那么对于这个操作，要么执行成功m变成了6，要么是没执行m还是0，而不会出现诸如m=3这种中间态——即使是在并发的线程中。 而，声明并赋值就不是一个原子操作：

> int n = 6; // 这不是一个原子操作

对于这个语句，至少有两个操作： ①声明一个变量n ②给n赋值为6 ——这样就会有一个中间状态： 变量n已经被声明了但是还没有被赋值的状态。  
——这样，在多线程中，由于线程执行顺序的不确定性，如果两个线程都使用m，就可能会导致不稳定的结果出现。

### 知识点：什么是指令重排？ ###

简单来说，就是计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。 比如，这一段代码：

int a ; // 语句1 a = 8 ; // 语句2 int b = 9 ; // 语句3 int c = a + b ; // 语句4

正常来说，对于顺序结构，执行的顺序是自上到下，也即1234。

但是，由于 `指令重排` 的原因，因为不影响最终的结果，所以，实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。 由于语句3和4没有原子性的问题，语句3和语句4也可能会拆分成原子操作，再重排。 ——也就是说，对于非原子性的操作，在不影响最终结果的情况下，其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。  
OK，了解了 `原子操作` 和 `指令重排` 的概念之后，我们再继续看Version3代码的问题。  
下面这段话直接从陈皓的文章(深入浅出单实例SINGLETON设计模式)中复制而来：

> 主要在于singleton = 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。  
> 1. 给 singleton 分配内存  
> 2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例  
> 3. 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了）  
> 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**。

再稍微解释一下，就是说，由于有一个 **『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』**的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层 `if (instance == null)` 这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。 这里的关键在于—— **线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作**。

## 3.4 终极版本：volatile ##

对于Version3中可能出现的问题（当然这种概率已经非常小了，但毕竟还是有的嘛~），解决方案是： 只需要给instance的声明加上 `volatile` 关键字即可，Version4版本：

// Version 4 public class Single4 {    private static volatile Single4 instance;    private Single4() {}    public static Single4 getInstance() {        if (instance == null) {            synchronized (Single4.class) {                if (instance == null) {                    instance = new Single4();                }            }        }        return instance;    } }

`volatile` 关键字的一个作用是禁止 `指令重排` ，把instance声明为 `volatile` 之后，对它的写操作就会有一个 `内存屏障` （什么是内存屏障？ ），这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。

> 注意： volatile阻止的不 *singleton = new Singleton()*这句话内部\[1-2-3\]的指令重排，而是保证了在一个写操作（\[1-2-3\]）完成之前，不会调用读操作（ `if (instance == null)` ）。

也就彻底防止了Version3中的问题发生。  
好了，现在彻底没什么问题了吧？  
好了，别紧张，的确没问题了。 大名鼎鼎的EventBus中，其入口方法 `EventBus.getDefault()` 就是用这种方法来实现的。  
不过，非要挑点刺的话还是能挑出来的，就是这个写法有些复杂了，不够优雅、简洁。 （傲娇脸）( ￣ー￣)

# 4. 饿汉式单例 #

下面再聊了解一下饿汉式的单例。 如上所说， `饿汉式` 单例是指： 指全局的单例实例在类装载时构建的实现方式。 由于类装载的过程是由类加载器（ClassLoader）来执行的，这个过程也是由JVM来保证同步的，所以这种方式先天就有一个优势——能够免疫许多由多线程引起的问题。

## 4.1 饿汉式单例的实现方式 ##

`饿汉式` 单例的实现如下：

//饿汉式实现 public class SingleB {    private static final SingleB INSTANCE = new SingleB();    private SingleB() {}    public static SingleB getInstance() {        return INSTANCE;    } }

对于一个饿汉式单例的写法来说，它基本上是完美的了。 所以它的缺点也就只是饿汉式单例本身的缺点所在了——由于INSTANCE的初始化是在类加载时进行的，而类的加载是由ClassLoader来做的，所以开发者本来对于它初始化的时机就很难去准确把握：

1.  可能由于初始化的太早，造成资源的浪费
2.  如果初始化本身依赖于一些其他数据，那么也就很难保证其他数据会在它初始化之前准备好。

当然，如果所需的单例占用的资源很少，并且也不依赖于其他数据，那么这种实现方式也是很好的。

### 知识点：什么时候是类装载时？ ###

前面提到了单例在 **类装载时**被实例化，那究竟什么时候才是『类装载时』呢？ 不严格的说，大致有这么几个条件会触发一个类被加载： 1. new一个对象时  
2. 使用反射创建它的实例时  
3. 子类被加载时，如果父类还没被加载，就先加载父类  
4. jvm启动时执行的主类会首先被加载 （类在什么时候加载和初始化?）

# 5. 一些其他的实现方式 #

## 5.1 Effective Java 1 —— 静态内部类 ##

《Effective Java》一书的第一版中推荐了一个中写法：

// Effective Java 第一版推荐写法 public class Singleton {    private static class SingletonHolder {        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();    }    private Singleton (){}    public static final Singleton getInstance() {        return SingletonHolder.INSTANCE;    } }

这种写法非常巧妙：

*  对于内部类SingletonHolder，它是一个饿汉式的单例实现，在SingletonHolder初始化的时候会由ClassLoader来保证同步，使INSTANCE是一个真·单例。
 *  同时，由于SingletonHolder是一个内部类，只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。

—— **它利用了ClassLoader来保证了同步，同时又能让开发者控制类加载的时机。** **从内部看是一个饿汉式的单例，但是从外部看来，又的确是懒汉式的实现**。 简直是神乎其技。

## 5.2 Effective Java 2 —— 枚举 ##

你以为到这就算完了？ 不，并没有，因为厉害的大神又发现了其他的方法。 《Effective Java》的作者在这本书的第二版又推荐了另外一种方法，来直接看代码：

// Effective Java 第二版推荐写法 public enum SingleInstance {    INSTANCE;    public void fun1() {        // do something    } } // 使用 SingleInstance.INSTANCE.fun1();

看到了么？ 这是一个枚举类型……连class都不用了，极简。 由于创建枚举实例的过程是线程安全的，所以这种写法也没有同步的问题。 作者对这个方法的评价：

> 这种写法在功能上与共有域方法相近，但是它更简洁，无偿地提供了序列化机制，绝对防止对此实例化，即使是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。 虽然这中方法还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

枚举单例这种方法问世一些，许多分析文章都称它是实现单例的最完美方法——写法超级简单，而且又能解决大部分的问题。 不过我个人认为这种方法虽然很优秀，但是它仍然不是完美的——比如，在需要继承的场景，它就不适用了。

# 6. 总结 #

OK，看到这里，你还会觉得单例模式是最简单的设计模式了么？ 再回头看一下你之前代码中的单例实现，觉得是无懈可击的么？ 可能我们在实际的开发中，对单例的实现并没有那么严格的要求。 比如，我如果能保证所有的getInstance都是在一个线程的话，那其实第一种最简单的教科书方式就够用了。 再比如，有时候，我的单例变成了多例也可能对程序没什么太大影响…… 但是，如果我们能了解更多其中的细节，那么如果哪天程序出了些问题，我们起码能多一个排查问题的点。 早点解决问题，就能早点回家吃饭……:-D  
—— 还有，完美的方案是不存在，任何方式都会有一个『度』的问题。 比如，你的觉得代码已经无懈可击了，但是因为你用的是JAVA语言，可能ClassLoader有些BUG啊……你的代码谁运行在JVM上的，可能JVM本身有BUG啊……你的代码运行在手机上，可能手机系统有问题啊……你生活在这个宇宙里，可能宇宙本身有些BUG啊……o(╯□╰)o 所以，尽力做到能做到的最好就行了。 —— 感谢你花费了不少时间看到这里，但愿你没有觉得虚度。

【END】 
          
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