深入Java單例模式

2019-11-15 01:10:25

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供稿：網(wǎng)友

深入java單例模式在GoF的23種設(shè)計(jì)模式中，單例模式是比較簡單的一種。然而，有時(shí)候越是簡單的東西越容易出現(xiàn)問題。下面就單例設(shè)計(jì)模式詳細(xì)的探討一下。所謂單例模式，簡單來說，就是在整個(gè)應(yīng)用中保證只有一個(gè)類的實(shí)例存在。就像是Java Web中的application，也就是提供了一個(gè)全局變量，用處相當(dāng)廣泛，比如保存全局?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全局性的操作等。1. 最簡單的實(shí)現(xiàn)首先，能夠想到的最簡單的實(shí)現(xiàn)是，把類的構(gòu)造函數(shù)寫成PRivate的，從而保證別的類不能實(shí)例化此類，然后在類中提供一個(gè)靜態(tài)的實(shí)例并能夠返回給使用者。這樣，使用者就可以通過這個(gè)引用使用到這個(gè)類的實(shí)例了。public class SingletonClass { private static final SingletonClass instance = new SingletonClass(); public static SingletonClass getInstance() { return instance; } private SingletonClass() { } }如上例，外部使用者如果需要使用SingletonClass的實(shí)例，只能通過getInstance()方法，并且它的構(gòu)造方法是private的，這樣就保證了只能有一個(gè)對象存在。2. 性能優(yōu)化——lazy loaded上面的代碼雖然簡單，但是有一個(gè)問題——無論這個(gè)類是否被使用，都會創(chuàng)建一個(gè)instance對象。如果這個(gè)創(chuàng)建過程很耗時(shí)，比如需要連接10000次數(shù)據(jù)庫(夸張了…:-))，并且這個(gè)類還并不一定會被使用，那么這個(gè)創(chuàng)建過程就是無用的。怎么辦呢？為了解決這個(gè)問題，我們想到了新的解決方案：public class SingletonClass { private static SingletonClass instance = null; public static SingletonClass getInstance() { if(instance == null) { instance = new SingletonClass(); } return instance; } private SingletonClass() { } }代碼的變化有兩處——首先，把instance初始化為null，直到第一次使用的時(shí)候通過判斷是否為null來創(chuàng)建對象。因?yàn)閯?chuàng)建過程不在聲明處，所以那個(gè)final的修飾必須去掉。我們來想象一下這個(gè)過程。要使用SingletonClass，調(diào)用getInstance()方法。第一次的時(shí)候發(fā)現(xiàn)instance是null，然后就新建一個(gè)對象，返回出去；第二次再使用的時(shí)候，因?yàn)檫@個(gè)instance是static的，所以已經(jīng)不是null了，因此不會再創(chuàng)建對象，直接將其返回。這個(gè)過程就成為lazy loaded，也就是遲加載——直到使用的時(shí)候才進(jìn)行加載。3. 同步上面的代碼很清楚，也很簡單。然而就像那句名言：“80%的錯(cuò)誤都是由20%代碼優(yōu)化引起的”。單線程下，這段代碼沒有什么問題，可是如果是多線程，麻煩就來了。我們來分析一下：線程A希望使用SingletonClass，調(diào)用getInstance()方法。因?yàn)槭堑谝淮握{(diào)用，A就發(fā)現(xiàn)instance是null的，于是它開始創(chuàng)建實(shí)例，就在這個(gè)時(shí)候，CPU發(fā)生時(shí)間片切換，線程B開始執(zhí)行，它要使用SingletonClass，調(diào)用getInstance()方法，同樣檢測到instance是null——注意，這是在A檢測完之后切換的，也就是說A并沒有來得及創(chuàng)建對象——因此B開始創(chuàng)建。B創(chuàng)建完成后，切換到A繼續(xù)執(zhí)行，因?yàn)樗呀?jīng)檢測完了，所以A不會再檢測一遍，它會直接創(chuàng)建對象。這樣，線程A和B各自擁有一個(gè)SingletonClass的對象——單例失敗！解決的方法也很簡單，那就是加鎖：public class SingletonClass { private static SingletonClass instance = null; public synchronized static SingletonClass getInstance() { if(instance == null) { instance = new SingletonClass(); } return instance; } private SingletonClass() { } }是要getInstance()加上同步鎖，一個(gè)線程必須等待另外一個(gè)線程創(chuàng)建完成后才能使用這個(gè)方法，這就保證了單例的唯一性。4. 又是性能上面的代碼又是很清楚很簡單的，然而，簡單的東西往往不夠理想。這段代碼毫無疑問存在性能的問題——synchronized修飾的同步塊可是要比一般的代碼段慢上幾倍的！如果存在很多次getInstance()的調(diào)用，那性能問題就不得不考慮了！讓我們來分析一下，究竟是整個(gè)方法都必須加鎖，還是僅僅其中某一句加鎖就足夠了？我們?yōu)槭裁匆渔i呢？分析一下出現(xiàn)lazy loaded的那種情形的原因。原因就是檢測null的操作和創(chuàng)建對象的操作分離了。如果這兩個(gè)操作能夠原子地進(jìn)行，那么單例就已經(jīng)保證了。于是，我們開始修改代碼：public class SingletonClass { private static SingletonClass instance = null; public static SingletonClass getInstance() { synchronized (SingletonClass.class) { if(instance == null) { instance = new SingletonClass(); } } return instance; } private SingletonClass() { } }首先去掉getInstance()的同步操作，然后把同步鎖加載if語句上。但是這樣的修改起不到任何作用：因?yàn)槊看握{(diào)用getInstance()的時(shí)候必然要同步，性能問題還是存在。如果……如果我們事先判斷一下是不是為null再去同步呢？public class SingletonClass { private static SingletonClass instance = null; public static SingletonClass getInstance() { if (instance == null) { synchronized (SingletonClass.class) { if (instance == null) { instance = new SingletonClass(); } } } return instance; } private SingletonClass() { } }還有問題嗎？首先判斷instance是不是為null，如果為null，加鎖初始化；如果不為null，直接返回instance。這就是double-checked locking設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單例模式。到此為止，一切都很完美。我們用一種很聰明的方式實(shí)現(xiàn)了單例模式。5. 從源頭檢查下面我們開始說編譯原理。所謂編譯，就是把源代碼“翻譯”成目標(biāo)代碼——大多數(shù)是指機(jī)器代碼——的過程。針對Java，它的目標(biāo)代碼不是本地機(jī)器代碼，而是虛擬機(jī)代碼。編譯原理里面有一個(gè)很重要的內(nèi)容是編譯器優(yōu)化。所謂編譯器優(yōu)化是指，在不改變原來語義的情況下，通過調(diào)整語句順序，來讓程序運(yùn)行的更快。這個(gè)過程成為reorder。要知道，JVM只是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并不是實(shí)現(xiàn)。JVM中并沒有規(guī)定有關(guān)編譯器優(yōu)化的內(nèi)容，也就是說，JVM實(shí)現(xiàn)可以自由的進(jìn)行編譯器優(yōu)化。下面來想一下，創(chuàng)建一個(gè)變量需要哪些步驟呢？一個(gè)是申請一塊內(nèi)存，調(diào)用構(gòu)造方法進(jìn)行初始化操作，另一個(gè)是分配一個(gè)指針指向這塊內(nèi)存。這兩個(gè)操作誰在前誰在后呢？JVM規(guī)范并沒有規(guī)定。那么就存在這么一種情況，JVM是先開辟出一塊內(nèi)存，然后把指針指向這塊內(nèi)存，最后調(diào)用構(gòu)造方法進(jìn)行初始化。下面我們來考慮這么一種情況：線程A開始創(chuàng)建SingletonClass的實(shí)例，此時(shí)線程B調(diào)用了getInstance()方法，首先判斷instance是否為null。按照我們上面所說的內(nèi)存模型，A已經(jīng)把instance指向了那塊內(nèi)存，只是還沒有調(diào)用構(gòu)造方法，因此B檢測到instance不為null，于是直接把instance返回了——問題出現(xiàn)了，盡管instance不為null，但它并沒有構(gòu)造完成，就像一套房子已經(jīng)給了你鑰匙，但你并不能住進(jìn)去，因?yàn)槔锩孢€沒有收拾。此時(shí)，如果B在A將instance構(gòu)造完成之前就是用了這個(gè)實(shí)例，程序就會出現(xiàn)錯(cuò)誤了！于是，我們想到了下面的代碼：public class SingletonClass { private static SingletonClass instance = null; public static SingletonClass getInstance() { if (instance == null) { SingletonClass sc; synchronized (SingletonClass.class) { sc = instance; if (sc == null) { synchronized (SingletonClass.class) { if(sc == null) { sc = new SingletonClass(); } } instance = sc; } } } return instance; } private SingletonClass() { } }我們在第一個(gè)同步塊里面創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)變量，然后使用這個(gè)臨時(shí)變量進(jìn)行對象的創(chuàng)建，并且在最后把instance指針臨時(shí)變量的內(nèi)存空間。寫出這種代碼基于以下思想，即synchronized會起到一個(gè)代碼屏蔽的作用，同步塊里面的代碼和外部的代碼沒有聯(lián)系。因此，在外部的同步塊里面對臨時(shí)變量sc進(jìn)行操作并不影響instance，所以外部類在instance=sc;之前檢測instance的時(shí)候，結(jié)果instance依然是null。不過，這種想法完全是錯(cuò)誤的！同步塊的釋放保證在此之前——也就是同步塊里面——的操作必須完成，但是并不保證同步塊之后的操作不能因編譯器優(yōu)化而調(diào)換到同步塊結(jié)束之前進(jìn)行。因此，編譯器完全可以把instance=sc;這句移到內(nèi)部同步塊里面執(zhí)行。這樣，程序又是錯(cuò)誤的了！6. 解決方案說了這么多，難道單例沒有辦法在Java中實(shí)現(xiàn)嗎？其實(shí)不然！在JDK 5之后，Java使用了新的內(nèi)存模型。volatile關(guān)鍵字有了明確的語義——在JDK1.5之前，volatile是個(gè)關(guān)鍵字，但是并沒有明確的規(guī)定其用途——被volatile修飾的寫變量不能和之前的讀寫代碼調(diào)整，讀變量不能和之后的讀寫代碼調(diào)整！因此，只要我們簡單的把instance加上volatile關(guān)鍵字就可以了。public class SingletonClass { private volatile static SingletonClass instance = null; public static SingletonClass getInstance() { if (instance == null) { synchronized (SingletonClass.class) { if(instance == null) { instance = new SingletonClass(); } } } return instance; } private SingletonClass() { } }然而，這只是JDK1.5之后的Java的解決方案，那之前版本呢？其實(shí)，還有另外的一種解決方案，并不會受到Java版本的影響：public class SingletonClass { private static class SingletonClassInstance { private static final SingletonClass instance = new SingletonClass(); } public static SingletonClass getInstance() { return SingletonClassInstance.instance; } private SingletonClass() { } }在這一版本的單例模式實(shí)現(xiàn)代碼中，我們使用了Java的靜態(tài)內(nèi)部類。這一技術(shù)是被JVM明確說明了的，因此不存在任何二義性。在這段代碼中，因?yàn)镾ingletonClass沒有static的屬性，因此并不會被初始化。直到調(diào)用getInstance()的時(shí)候，會首先加載SingletonClassInstance類，這個(gè)類有一個(gè)static的SingletonClass實(shí)例，因此需要調(diào)用SingletonClass的構(gòu)造方法，然后getInstance()將把這個(gè)內(nèi)部類的instance返回給使用者。由于這個(gè)instance是static的，因此并不會構(gòu)造多次。由于SingletonClassInstance是私有靜態(tài)內(nèi)部類，所以不會被其他類知道，同樣，static語義也要求不會有多個(gè)實(shí)例存在。并且，JSL規(guī)范定義，類的構(gòu)造必須是原子性的，非并發(fā)的，因此不需要加同步塊。同樣，由于這個(gè)構(gòu)造是并發(fā)的，所以getInstance()也并不需要加同步。至此，我們完整的了解了單例模式在Java語言中的時(shí)候，提出了兩種解決方案。個(gè)人偏向于第二種，并且Effiective Java也推薦的這種方式。

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