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我们再来聊一聊Java的单例吧

2017-04-27 21:59 张新强

作者:Barry Zhang(张新强)

原文:www.barryzhang.com/archives/521

点击文末阅读原文即可前往) 


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。


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


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……


—— 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……


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。


7. 一些有用的链接


  • 深入浅出单实例SINGLETON设计模式:http://coolshell.cn/articles/265.html


  • Java并发编程:volatile关键字解析:http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html


  • 为什么volatile不能保证原子性而Atomic可以?: http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html


  • 类在什么时候加载和初始化?http://www.importnew.com/6579.html


8. 关于作者


  • https://github.com/barryhappy

  • http://www.barryzhang.com




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