老司机来教你单例的正确姿势

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作者 聪明叉
2016.06.30 22:34 字数 1960

老司机来教你单例的正确姿势

Java单例模式可能是最简单也是最常用的设计模式,一个完美的单例需要做到哪些事呢?

  1. 单例(这不是废话吗)
  2. 延迟加载
  3. 线程安全
  4. 没有性能问题
  5. 防止序列化产生新对象
  6. 防止反射攻击

可以看到,真正要实现一个完美的单例是很复杂的,那么,让我这个司机带大家看一看正确姿势的单例。

最佳实践单例之枚举

没错,直接就上最佳实践,就是这么任性

这货长这样:

public enum Singleton{
    INSTANCE;
}

如果你不熟悉枚举,可能会说:这货是啥?!

这种方式的好处是:

  1. 利用的枚举的特性实现单例
  2. 由JVM保证线程安全
  3. 序列化和反射攻击已经被枚举解决

调用方式为Singleton.INSTANCE, 出自《Effective Java》第二版第三条: 用私有构造器或枚举类型强化Singleton属性。

关于单例最佳实践的讨论可以看Stackoverflow:what-is-an-efficient-way-to-implement-a-singleton-pattern-in-java

下面将会介绍更为常见的单例模式,但是均未处理反射攻击,如果想了解更多可以看这篇文章:如何防止单例模式被JAVA反射攻击

最简单的单例之饿汉式

public class Singleton {
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    // 私有化构造函数
    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

这种单例的写法最简单,但是缺点是一旦类被加载,单例就会初始化,没有实现懒加载。而且当实现了Serializable接口后,反序列化时单例会被破坏。

实现Serializable接口需要重写readResolve,才能保证其反序列化依旧是单例:

public class Singleton implements Serializable {
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    // 私有化构造函数
    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }

    /**
     * 如果实现了Serializable, 必须重写这个方法
     */
    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return INSTANCE;
    }
}

OK,反序列化要注意的就是这一点,下面的内容中就不再复述了。

最体现技术的单例之懒汉式

懒汉式即实现延迟加载的单例,为上述饿汉式的优化形式。而因其仍需要进一步优化,往往成为面试考点,让我们一起来看看坑爹的“懒汉式”

懒汉式的最初形式是这样的:

public class Singleton {
    private static Singleton INSTANCE;
    private Singleton (){}

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

这种写法就轻松实现了单例的懒加载,只有调用了getInstance方法才会初始化。但是这样的写法出现了新的问题--线程不安全。当多个线程调用getInstance方法时,可能会创建多个实例,因此需要对其进行同步。

如何使其线程安全呢?简单,加个synchronized关键字就行了

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

可是...这样又出现了性能问题,简单粗暴的同步整个方法,导致同一时间内只有一个线程能够调用getInstance方法。

因为仅仅需要对初始化部分的代码进行同步,所以再次进行优化:

public static Singleton getSingleton() {
    if (INSTANCE == null) {               // 第一次检查
        synchronized (Singleton.class) {
            if (INSTANCE == null) {      // 第二次检查
                INSTANCE = new Singleton();
            }
        }
    }
    return INSTANCE ;
}

执行两次检测很有必要:当多线程调用时,如果多个线程同时执行完了第一次检查,其中一个进入同步代码块创建了实例,后面的线程因第二次检测不会创建新实例。

这段代码看起来很完美,但仍旧存在问题,以下内容引用自黑桃夹克大神的如何正确地写出单例模式

这段代码看起来很完美,很可惜,它是有问题。主要在于instance = 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 instance 分配内存
  2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
  3. 将instance对象指向分配的内存空间(执行完这步 instance 就为非 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。

我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton INSTANCE; //声明成 volatile
    private Singleton (){}

    public static Singleton getSingleton() {
        if (INSTANCE == null) {                         
            synchronized (Singleton.class) {
                if (INSTANCE == null) {       
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }

}

使用 volatile 的主要原因是其另一个特性: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。比如上面的例子,取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后,不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话,就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作(这里的“后面”是时间上的先后顺序)。

但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM (Java 内存模型)是存在缺陷的,即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序,主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复,所以在这之后才可以放心使用 volatile。

至此,这样的懒汉式才是没有问题的懒汉式。

内部类实现单例

public class Singleton { 
    /** 
     * 类级的内部类,也就是静态的成员式内部类,该内部类的实例与外部类的实例没有绑定关系, 
     * 而且只有被调用到才会装载,从而实现了延迟加载 
     */ 
    private static class SingletonHolder{ 
        /** 
         * 静态初始化器,由JVM来保证线程安全 
         */ 
        private static final Singleton instance = new Singleton(); 
    } 
    /** 
     * 私有化构造方法 
     */ 
    private Singleton(){ 
    } 

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

使用内部类来维护单例的实例,当Singleton被加载时,其内部类并不会被初始化,故可以确保当 Singleton类被载入JVM时,不会初始化单例类。只有 getInstance() 方法调用时,才会初始化 instance。同时,由于实例的建立是时在类加载时完成,故天生对多线程友好,getInstance() 方法也无需使用同步关键字。

总结

无疑,单例就应使用枚举实现,最佳实践诚不欺我

参考链接

What is an efficient way to implement a singleton pattern in Java

Java Practices -> Singleton

Creating and Destroying Java Objects: Part 1

如何正确地写出单例模式

JAVA 枚举单例模式

Android成长之路