深入浅出单实例Singleton设计模式

小灰灰 2022-06-01 05:37 172阅读 0赞

单实例Singleton设计模式可能是被讨论和使用的最广泛的一个设计模式了，这可能也是面试中问得最多的一个设计模式了。这个设计模式主要目的是想在整个系统中只能出现一个类的实例。这样做当然是有必然的，比如你的软件的全局配置信息，或者是一个Factory，或是一个主控类，等等。你希望这个类在整个系统中只能出现一个实例。当然，作为一个技术负责人的你，你当然有权利通过使用非技术的手段来达到你的目的。比如：你在团队内部明文规定，“XX类只能有一个全局实例，如果某人使用两次以上，那么该人将被处于2000元的罚款！”（呵呵），你当然有权这么做。但是如果你的设计的是东西是一个类库，或是一个需要提供给用户使用的API，恐怕你的这项规定将会失效。因为，你无权要求别人会那么做。所以，这就是为什么，我们希望通过使用技术的手段来达成这样一个目的的原因。

本文会带着你深入整个Singleton的世界，当然，我会放弃使用C++语言而改用Java语言，因为使用Java这个语言可能更容易让我说明一些事情。

Singleton的教学版本  
这里，我将直接给出一个Singleton的简单实现，因为我相信你已经有这方面的一些基础了。我们姑且把这个版本叫做1.0版

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// version 1.0  
public class Singleton \{  
private static Singleton singleton = null;  
private Singleton() \{ \}  
public static Singleton getInstance() \{  
if (singleton== null) \{  
singleton= new Singleton();  
\}  
return singleton;  
\}  
\}  
在上面的实例中，我想说明下面几个Singleton的特点：（下面这些东西可能是尽人皆知的，没有什么新鲜的）

私有（private）的构造函数，表明这个类是不可能形成实例了。这主要是怕这个类会有多个实例。  
即然这个类是不可能形成实例，那么，我们需要一个静态的方式让其形成实例：getInstance()。注意这个方法是在new自己，因为其可以访问私有的构造函数，所以他是可以保证实例被创建出来的。  
在getInstance()中，先做判断是否已形成实例，如果已形成则直接返回，否则创建实例。  
所形成的实例保存在自己类中的私有成员中。  
我们取实例时，只需要使用Singleton.getInstance()就行了。  
当然，如果你觉得知道了上面这些事情后就学成了，那得给你当头棒喝一下了，事情远远没有那么简单。

Singleton的实际版本  
上面的这个程序存在比较严重的问题，因为是全局性的实例，所以，在多线程情况下，所有的全局共享的东西都会变得非常的危险，这个也一样，在多线程情况下，如果多个线程同时调用getInstance()的话，那么，可能会有多个进程同时通过 (singleton== null)的条件检查，于是，多个实例就创建出来，并且很可能造成内存泄露问题。嗯，熟悉多线程的你一定会说——“我们需要线程互斥或同步”，没错，我们需要这个事情，于是我们的Singleton升级成1.1版，如下所示：

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// version 1.1  
public class Singleton  
\{  
private static Singleton singleton = null;  
private Singleton() \{ \}  
public static Singleton getInstance() \{  
if (singleton== null) \{  
synchronized (Singleton.class) \{  
singleton= new Singleton();  
\}  
\}  
return singleton;  
\}  
\}  
嗯，使用了Java的synchronized方法，看起来不错哦。应该没有问题了吧？！错！这还是有问题！为什么呢？前面已经说过，如果有多个线程同时通过(singleton== null)的条件检查（因为他们并行运行），虽然我们的synchronized方法会帮助我们同步所有的线程，让我们并行线程变成串行的一个一个去new，那不还是一样的吗？同样会出现很多实例。嗯，确实如此！看来，还得把那个判断(singleton== null)条件也同步起来。于是，我们的Singleton再次升级成1.2版本，如下所示：

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// version 1.2  
public class Singleton  
\{  
private static Singleton singleton = null;  
private Singleton() \{ \}  
public static Singleton getInstance() \{  
synchronized (Singleton.class) \{  
if (singleton== null) \{  
singleton= new Singleton();  
\}  
\}  
return singleton;  
\}  
\}  
不错不错，看似很不错了。在多线程下应该没有什么问题了，不是吗？的确是这样的，1.2版的Singleton在多线程下的确没有问题了，因为我们同步了所有的线程。只不过嘛……，什么？！还不行？！是的，还是有点小问题，我们本来只是想让new这个操作并行就可以了，现在，只要是进入getInstance()的线程都得同步啊，注意，创建对象的动作只有一次，后面的动作全是读取那个成员变量，这些读取的动作不需要线程同步啊。这样的作法感觉非常极端啊，为了一个初始化的创建动作，居然让我们达上了所有的读操作，严重影响后续的性能啊！

还得改！嗯，看来，在线程同步前还得加一个(singleton== null)的条件判断，如果对象已经创建了，那么就不需要线程的同步了。OK，下面是1.3版的Singleton。

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// version 1.3  
public class Singleton  
\{  
private static Singleton singleton = null;  
private Singleton() \{ \}  
public static Singleton getInstance() \{  
if (singleton== null) \{  
synchronized (Singleton.class) \{  
if (singleton== null) \{  
singleton= new Singleton();  
\}  
\}  
\}  
return singleton;  
\}  
\}  
感觉代码开始变得有点罗嗦和复杂了，不过，这可能是最不错的一个版本了，这个版本又叫“双重检查”Double-Check。下面是说明：

第一个条件是说，如果实例创建了，那就不需要同步了，直接返回就好了。  
不然，我们就开始同步线程。  
第二个条件是说，如果被同步的线程中，有一个线程创建了对象，那么别的线程就不用再创建了。  
相当不错啊，干得非常漂亮！请大家为我们的1.3版起立鼓掌！

但是，如果你认为这个版本大攻告成，你就错了。

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。

给 singleton 分配内存  
调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例  
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。

对此，我们只需要把singleton声明成 volatile 就可以了。下面是1.4版：

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// version 1.4  
public class Singleton  
\{  
private volatile static Singleton singleton = null;  
private Singleton() \{ \}  
public static Singleton getInstance() \{  
if (singleton== null) \{  
synchronized (Singleton.class) \{  
if (singleton== null) \{  
singleton= new Singleton();  
\}  
\}  
\}  
return singleton;  
\}  
\}  
使用 volatile 有两个功用：

1）这个变量不会在多个线程中存在复本，直接从内存读取。

2）这个关键字会禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。

但是，这个事情仅在Java 1.5版后有用，1.5版之前用这个变量也有问题，因为老版本的Java的内存模型是有缺陷的。

Singleton 的简化版本  
上面的玩法实在是太复杂了，一点也不优雅，下面是一种更为优雅的方式：

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。

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// version 1.5  
public class Singleton  
\{  
private volatile static Singleton singleton = new Singleton();  
private Singleton() \{ \}  
public static Singleton getInstance() \{  
return singleton;  
\}  
\}  
但是，这种玩法的最大问题是——当这个类被加载的时候，new Singleton() 这句话就会被执行，就算是getInstance()没有被调用，类也被初始化了。

于是，这个可能会与我们想要的行为不一样，比如，我的类的构造函数中，有一些事可能需要依赖于别的类干的一些事（比如某个配置文件，或是某个被其它类创建的资源），我们希望他能在我第一次getInstance()时才被真正的创建。这样，我们可以控制真正的类创建的时刻，而不是把类的创建委托给了类装载器。

好吧，我们还得绕一下：

下面的这个1.6版是老版《Effective Java》中推荐的方式。

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// version 1.6  
public class Singleton \{  
private static class SingletonHolder \{  
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
\}  
private Singleton ()\{\}  
public static final Singleton getInstance() \{  
return SingletonHolder.INSTANCE;  
\}  
\}  
上面这种方式，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，因此它只有在getInstance()被调用时才会真正创建；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。

Singleton 优雅版本  
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public enum Singleton\{  
INSTANCE;  
\}  
居然用枚举！！看上去好牛逼，通过EasySingleton.INSTANCE来访问，这比调用getInstance()方法简单多了。

默认枚举实例的创建是线程安全的，所以不需要担心线程安全的问题。但是在枚举中的其他任何方法的线程安全由程序员自己负责。还有防止上面的通过反射机制调用私用构造器。

这个版本基本上消除了绝大多数的问题。代码也非常简单，实在无法不用。这也是新版的《Effective Java》中推荐的模式。

Singleton的其它问题  
怎么？还有问题？！当然还有，请记住下面这条规则——“无论你的代码写得有多好，其只能在特定的范围内工作，超出这个范围就要出Bug了”，这是“陈式第一定理”，呵呵。你能想一想还有什么情况会让这个我们上面的代码出问题吗？

在C++下，我不是很好举例，但是在Java的环境下，嘿嘿，还是让我们来看看下面的一些反例和一些别的事情的讨论（当然，有些反例可能属于钻牛角尖，可能有点学院派，不过也不排除其实际可能性，就算是提个醒吧）：

其一、Class Loader。不知道你对Java的Class Loader熟悉吗？“类装载器”？！C++可没有这个东西啊。这是Java动态性的核心。顾名思义，类装载器是用来把类(class)装载进JVM的。JVM规范定义了两种类型的类装载器：启动内装载器(bootstrap)和用户自定义装载器(user-defined class loader)。 在一个JVM中可能存在多个ClassLoader，每个ClassLoader拥有自己的NameSpace。一个ClassLoader只能拥有一个class对象类型的实例，但是不同的ClassLoader可能拥有相同的class对象实例，这时可能产生致命的问题。如ClassLoaderA，装载了类A的类型实例A1，而ClassLoaderB，也装载了类A的对象实例A2。逻辑上讲A1=A2，但是由于A1和A2来自于不同的ClassLoader，它们实际上是完全不同的，如果A中定义了一个静态变量c，则c在不同的ClassLoader中的值是不同的。

于是，如果咱们的Singleton 1.3版本如果面对着多个Class Loader会怎么样？呵呵，多个实例同样会被多个Class Loader创建出来，当然，这个有点牵强，不过他确实存在。难道我们还要整出个1.4版吗？可是，我们怎么可能在我的Singleton类中操作Class Loader啊？是的，你根本不可能。在这种情况下，你能做的只有是——“保证多个Class Loader不会装载同一个Singleton”。

其二、序例化。如果我们的这个Singleton类是一个关于我们程序配置信息的类。我们需要它有序列化的功能，那么，当反序列化的时候，我们将无法控制别人不多次反序列化。不过，我们可以利用一下Serializable接口的readResolve()方法，比如：

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public class Singleton implements Serializable  
\{  
……  
……  
protected Object readResolve()  
\{  
return getInstance();  
\}  
\}  
其三、多个Java虚拟机。如果我们的程序运行在多个Java的虚拟机中。什么？多个虚拟机？这是一种什么样的情况啊。嗯，这种情况是有点极端，不过还是可能出现，比如EJB或RMI之流的东西。要在这种环境下避免多实例，看来只能通过良好的设计或非技术来解决了。

其四，volatile变量。关于volatile这个关键字所声明的变量可以被看作是一种 “程度较轻的同步synchronized”；与 synchronized 块相比，volatile 变量所需的编码较少，并且运行时开销也较少，但是它所能实现的功能也仅是synchronized的一部分。当然，如前面所述，我们需要的Singleton只是在创建的时候线程同步，而后面的读取则不需要同步。所以，volatile变量并不能帮助我们即能解决问题，又有好的性能。而且，这种变量只能在JDK 1.5+版后才能使用。

其五、关于继承。是的，继承于Singleton后的子类也有可能造成多实例的问题。不过，因为我们早把Singleton的构造函数声明成了私有的，所以也就杜绝了继承这种事情。

其六，关于代码重用。也话我们的系统中有很多个类需要用到这个模式，如果我们在每一个类都中有这样的代码，那么就显得有点傻了。那么，我们是否可以使用一种方法，把这具模式抽象出去？在C++下这是很容易的，因为有模板和友元，还支持栈上分配内存，所以比较容易一些（程序如下所示），Java下可能比较复杂一些，聪明的你知道怎么做吗？

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template class Singleton  
\{  
public:  
static T& Instance()  
\{  
static T theSingleInstance; //假设T有一个protected默认构造函数  
return theSingleInstance;  
\}  
\};

class OnlyOne : public Singleton  
\{  
friend class Singleton;  
int example\_data;

public:
        int GetExampleData() const {return example_data;}
    protected:
        OnlyOne(): example_data(42) {}   // 默认构造函数
        OnlyOne(OnlyOne&) {}

\};

int main( )  
\{  
cout << OnlyOne::Instance().GetExampleData() << endl;  
return 0;  
\}

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（全文完）