Android 架构师之路5 设计模式之单例模式

Android 架构师之路 目录

前言

Java中单例(Singleton)模式是一种广泛使用的设计模式。单例模式的主要作用是保证在Java程序中，某个类只有一个实例存在。一些管理器和控制器常被设计成单例模式。
单例模式有很多好处，它能够避免实例对象的重复创建，不仅可以减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间；能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。如果一个对象有可能贯穿整个应用程序，而且起到了全局统一管理控制的作用，那么单例模式也许是一个值得考虑的选择。

1、单例模式UML类图

单例模式UML类图

2、单例模式的八种写法

2.1饿汉模式

顾名思义，饿汉法就是在第一次引用该类的时候就创建对象实例，而不管实际是否需要创建。代码如下：

public class Singleton {   
    private static Singleton = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static getSignleton(){
        return singleton;
    }
}

这样做的好处是编写简单，但是无法做到延迟创建对象。但是我们很多时候都希望对象可以尽可能地延迟加载，从而减小负载，所以就需要下面的懒汉法。

2.2 饿汉模式变种
public class Singleton {  
    private Singleton instance = null;  
     static {  
    instance = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance() {  
    return this.instance;  
    }  
 }

表面上看起来差别挺大，其实上面那种差不多，都是在类初始化即实例化instance。.

2.3不加锁懒汉模式(线程不安全)

懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的，如果单例已经创建，再次调用获取接口将不会重新创建新的对象，而是直接返回之前创建的对象。如果某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多，那么就需要实现单例的按需创建，这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。但是这里的懒汉模式并没有考虑线程安全问题，在多个线程可能会并发调用它的getInstance()方法，就有很大可能导致重复创建对象。

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if(singleton == null) singleton = new Singleton();
        return singleton;
    }
}
2.4加锁懒汉模式（线程安全，但是耗时）

这种写法考虑了线程安全，将对singleton的null判断以及new的部分使用synchronized进行加锁。同时，对singleton对象使用volatile关键字进行限制，保证其对所有线程的可见性，并且禁止对其进行指令重排序优化。如此即可从语义上保证这种单例模式写法是线程安全的。但是每次通过getInstance方法得到singleton实例的时候都有一个试图去获取同步锁的过程。而众所周知，加锁是很耗时的，对高并发操作很不友好。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton singleton = null;
 
    private Singleton(){}
 
    public static Singleton getSingleton(){
        synchronized (Singleton.class){
            if(singleton == null){
                singleton = new Singleton();
            }
        }
        return singleton;
    }    
}
2.5双重校验锁( 兼顾线程安全和效率的写法)

虽然上面这种写法是可以正确运行的，但是其效率低下，还是无法实际应用。因为每次调用getSingleton()方法，都必须在synchronized这里进行排队，而真正遇到需要new的情况是非常少的。所以，就诞生了第三种写法：

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

这种写法被称为“双重检查锁”，顾名思义，就是在getSingleton()方法中，进行两次null检查。看似多此一举，但实际上却极大提升了并发度，进而提升了性能。为什么可以提高并发度呢？就像上文说的，在单例中new的情况非常少，绝大多数都是可以并行的读操作。因此在加锁前多进行一次null检查就可以减少绝大多数的加锁操作，执行效率提高的目的也就达到了。

该种写法存在Java低版本中的问题
内存模型

那么，这种写法是不是绝对安全呢？前面说了，从语义角度来看，并没有什么问题。但是其实还是有坑。说这个坑之前我们要先来看看volatile这个关键字。其实这个关键字有两层语义。第一层语义相信大家都比较熟悉，就是可见性。可见性指的是在一个线程中对该变量的修改会马上由工作内存（Work Memory）写回主内存（Main Memory），所以会马上反应在其它线程的读取操作中。顺便一提，工作内存和主内存可以近似理解为实际电脑中的高速缓存和主存，工作内存是线程独享的，主存是线程共享的。volatile的第二层语义是禁止指令重排序优化。大家知道我们写的代码（尤其是多线程代码），由于编译器优化，在实际执行的时候可能与我们编写的顺序不同。编译器只保证程序执行结果与源代码相同，却不保证实际指令的顺序与源代码相同。这在单线程看起来没什么问题，然而一旦引入多线程，这种乱序就可能导致严重问题。volatile关键字就可以从语义上解决这个问题。

例如，考虑下面的事件序列：

  1. 线程A发现变量没有被初始化, 然后它获取锁并开始变量的初始化。
  2. 由于某些编程语言的语义，编译器生成的代码允许在线程A执行完变量的初始化之前，更新变量并将其指向部分初始化的对象。
  3. 线程B发现共享变量已经被初始化，并返回变量。由于线程B确信变量已被初始化，它没有获取锁。如果在A完成初始化之前共享变量对B可见（这是由于A没有完成初始化或者因为一些初始化的值还没有穿过B使用的内存(缓存一致性)），程序很可能会崩溃。
Symantec JIT 编译 singletons[i].reference = new Singleton(); 这段代码时，如果不加volatile关键词，会生成如下字节码：

0206106A   mov         eax,0F97E78h
0206106F   call        01F6B210                  ; allocate space for
                                                 ; Singleton, return result in eax
02061074   mov         dword ptr [ebp],eax       ; EBP is &singletons[i].reference 
                                                ; store the unconstructed object here.
02061077   mov         ecx,dword ptr [eax]       ; dereference the handle to
                                                 ; get the raw pointer
02061079   mov         dword ptr [ecx],100h      ; Next 4 lines are
0206107F   mov         dword ptr [ecx+4],200h    ; Singleton's inlined constructor
02061086   mov         dword ptr [ecx+8],400h
0206108D   mov         dword ptr [ecx+0Ch],0F84030h
可以看到，在执行Singleton的构造函数之前，Singleton的新实例就被赋值给了singletons[i].reference，这在Java内存模型中是完全合法的。

注意，前面反复提到“从语义上讲是没有问题的”，但是很不幸，禁止指令重排优化这条语义直到jdk1.5以后才能正确工作。此前的JDK中即使将变量声明为volatile也无法完全避免重排序所导致的问题。所以，在jdk1.5版本前，双重检查锁形式的单例模式是无法保证线程安全的。

2.6 静态内部类法(推荐)

那么，有没有一种延时加载，并且能保证线程安全的简单写法呢？我们可以把Singleton实例放到一个静态内部类中，这样就避免了静态实例在Singleton类加载的时候就创建对象，并且由于静态内部类只会被加载一次，所以这种写法也是线程安全的：

public class Singleton {
    private static class Holder {
        private static Singleton singleton = new Singleton();
    }
 
    private Singleton(){}
 
    public static Singleton getSingleton(){
        return Holder.singleton;
    }
}

但是，上面提到的所有实现方式都有两个共同的缺点：

  • 都需要额外的工作(Serializable、transient、readResolve())来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象实例时都会创建一个新的实例。
  • 可能会有人使用反射强行调用我们的私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。
2.7 枚举写法

当然，还有一种更加优雅的方法来实现单例模式，那就是枚举写法：

    public  class Resource{
    }

    public enum SomeThing {
        INSTANCE;
        private Resource instance;
        SomeThing() {
            instance = new Resource();
        }
        public Resource getInstance() {
            return instance;
        }
    }

调用

    Resource resource = SomeThing.INSTANCE.getInstance();

使用枚举除了线程安全和防止反射强行调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。因此，Effective Java推荐尽可能地使用枚举来实现单例。

2.8 容器实现单例模式
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class Singleton {
    private static Map<String, Object> objMap = new HashMap<String, Object>();

    private Singleton() {
    }

    public static void registerService(String key, Object instance) {
        if (!objMap.containsKey(key)) {
            objMap.put(key, instance);
        }
    }

    public static Object getService(String key) {
        return objMap.get(key);
    }
}

这种实现方式使得我们可以管理多种类型的单例，并且在使用时可以通过统一接口进行获取操作，降低用户使用成本，也对用户隐藏了具体实现，降低耦合度。

3 、单例模式在Android源码中应用

第三方 ImageLoader（通过源码分析，得到单例模式中双重检测方案）
LayoutInflater 单例模式通过容器进行管理
LayoutInflater 源码分析 WindowManager、ActivityManager、PowerManager都是容器管理

总结

代码没有一劳永逸的写法，只有在特定条件下最合适的写法。在不同的平台、不同的开发环境（尤其是jdk版本）下，自然有不同的最优解（或者说较优解）。
比如枚举，虽然Effective Java中推荐使用，但是在Android平台上却是不被推荐的。在这篇Android Training中明确指出：

Enums often require more than twice as much memory as static constants. You should strictly avoid using enums on Android.

再比如双重检查锁法，不能在jdk1.5之前使用，而在Android平台上使用就比较放心了（一般Android都是jdk1.6以上了，不仅修正了volatile的语义问题，还加入了不少锁优化，使得多线程同步的开销降低不少）。

最后，不管采取何种方案，请时刻牢记单例的三大要点：

  • 线程安全
  • 延迟加载
  • 序列化与反序列化安全
特别感谢：

吃桔子的攻城狮

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