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单例模式的七种写法

单例模式的七种写法

作者: freezml | 来源:发表于2018-04-11 19:47 被阅读0次

    我们应该从多线程(multithreading)、类装载器(classloaders)和序列化(serialization)三个方面来选择。
    第一种(懒汉,线程不安全,懒加载,不支持序列化):

    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lazy loading很明显,但是致命的是在多线程不能正常工作。
    第二种(懒汉,线程安全,懒加载,不支持序列化):

    public class Singleton {  
        private static Singleton instance;  
        private Singleton (){}  
        public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
        }  
    }  
    

    这种写法能够在多线程中很好的工作,而且看起来它也具备很好的lazy loading,但是,遗憾的是,效率很低,99%情况下不需要同步。

    第三种(饿汉 线程安全,没有懒加载,不支持序列化):

    public class Singleton {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
        private Singleton (){}  
        public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
        }  
    }  
    

    这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题,不过,instance在类装载时就实例化,虽然导致类装载的原因有很多种,在单例模式中大多数都是调用getInstance方法, 但是也不能确定有其他的方式(或者其他的静态方法)导致类装载,这时候初始化instance显然没有达到lazy loading的效果。

    第四种(饿汉,变种 线程安全,没有懒加载,不支持序列化):

    public class Singleton {  
        private Singleton instance = null;  
        static {  
        instance = new Singleton();  
        }  
        private Singleton (){}  
        public static Singleton getInstance() {  
        return this.instance;  
        }  
    }  
    

    跟第三种方式差不多,都是在类初始化即实例化instance。

    第五种(静态内部类 线程安全,懒加载,不支持序列化):

    public class Singleton {  
        private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
        }  
        private Singleton (){}  
        public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
        }  
    }  
    

    这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程,它跟第三种和第四种方式不同的是(很细微的差别):第三种和第四种方式是只要Singleton类被装载了,那么instance就会被实例化(没有达到lazy loading效果),而这种方式是Singleton类被装载了,instance不一定被初始化。因为SingletonHolder类没有被主动使用,只有显示通过调用getInstance方法时,才会显示装载SingletonHolder类,从而实例化instance。想象一下,如果实例化instance很消耗资源,我想让他延迟加载,另外一方面,我不希望在Singleton类加载时就实例化,因为我不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化instance显然是不合适的。这个时候,这种方式相比第三和第四种方式就显得很合理。

    第六种(枚举 线程安全,没有懒加载,支持序列化):

    public enum Singleton {  
        INSTANCE;  
        public void whateverMethod() {  
        }  
    }  
    

    这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式,它不仅能避免多线程同步问题,而且还能防止反序列化重新创建新的对象,JDK1.5后 线程安全的单例模式的最佳写法 详情请参见深度分析 Java 的枚举类型:枚举的线程安全性及序列化问题
    但是这也不是万能的,对于android平台这个可能未必是最好的选择,在android开发中,内存优化是个大块头,而使用枚举时占用的内存常常是静态变量的两倍还多,因此android官方在内存优化方面给出的建议是尽量避免在android中使用enum。但是不管如何,关于单例,我们总是应该记住:线程安全、延迟加载、序列化与反序列化安全、反射安全是很重要的。

    第七种(双重校验锁 线程安全,懒加载,不支持序列化):

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

    这个是第二种方式的升级版,俗称双重检查锁定,详细介绍请查看:http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-dcl.html

    在JDK1.5之后,双重检查锁定才能够正常达到单例效果。

    但是二次检查自身会存在比较隐蔽的问题,查了Peter Haggar在DeveloperWorks上的一篇文章,对二次检查的解释非常的详细:

    “双重检查锁定背后的理论是完美的。不幸地是,现实完全不同。双重检查锁定的问题是:并不能保证它会在单处理器或多处理器计算机上顺利运行。双重检查锁定失败的问题并不归咎于 JVM 中的实现 bug,而是归咎于 Java 平台内存模型。内存模型允许所谓的“无序写入”,这也是这些习语失败的一个主要原因。”

    其实找到这篇文章之后,我的问题基本上就已经可以解决了,但是看到回帖的同学们也有一些和我一样的问题,还想把这个问题继续梳理一遍。

    使用二次检查的方法也不是完全安全的,原因是 Java 平台内存模型中允许所谓的“无序写入”会导致二次检查失败,所以使用二次检查的想法也行不通了。

    Peter Haggar在最后提出这样的观点:“无论以何种形式,都不应使用双重检查锁定,因为您不能保证它在任何 JVM 实现上都能顺利运行。”

    "netrice"在回复中提到了使用“java5以后的volatile关键字”,用volatile关键字来声明变量,声明成 volatile 的变量被认为是顺序一致的,即,不是重新排序的。但是volatile关键字的特性并不适用于这篇帖子所讨论的问题关键。

    通过上面的分析,可以看到使用懒汉式的lazy方式实现单例弯弯绕太多,在单线程编程的情况下懒汉式单例实现是没有任何问题的,如果在多线程的情况下,我们需要比较小心,对getInstances()方法加上synchronized关键字,这样虽然可能有一些性能上的牺牲,但是更加的安全。

    总结

    有两个问题需要注意:

    1.如果单例由不同的类装载器装入,那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取,例如一些servlet容器对每个servlet使用完全不同的类装载器,这样的话如果有两个servlet访问一个单例类,它们就都会有各自的实例。

    2.如果Singleton实现了java.io.Serializable接口,那么这个类的实例就可能被序列化和复原。不管怎样,如果你序列化一个单例类的对象,接下来复原多个那个对象,那你就会有多个单例类的实例。

    对第一个问题修复的办法是:

    private static Class getClass(String classname)      
                                             throws ClassNotFoundException {     
          ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();     
          
          if(classLoader == null)     
             classLoader = Singleton.class.getClassLoader();     
          
          return (classLoader.loadClass(classname));     
       }     
    }  
    

    对第二个问题修复的办法是:

    public class Singleton implements java.io.Serializable {     
       public static Singleton INSTANCE = new Singleton();     
          
       protected Singleton() {     
            
       }     
       private Object readResolve() {     
                return INSTANCE;     
          }    
    }   
    

    对我来说,我比较喜欢第三种和第五种方式,简单易懂,而且在JVM层实现了线程安全(如果不是多个类加载器环境),一般的情况下,我会使用第三种方式,只有在要明确实现lazy loading效果时才会使用第五种方式,另外,如果涉及到反序列化创建对象时我会试着使用枚举的方式来实现单例,不过,我一直会保证我的程序是线程安全的,而且我永远不会使用第一种和第二种方式,如果有其他特殊的需求,我可能会使用第七种方式,毕竟,JDK1.5已经没有双重检查锁定的问题了。

    在《Java与模式》中,作者提出:“饿汉式单例类可以在Java语言实现,但不易在C++内实现,因为静态初始化在C++里没有固定的顺序,因而静态的instance变量的初始化与类的加载顺序没有保证,可能会出问题。这就是为什么GoF在提出单例类的概念时,举的例子是懒汉式的。他们的书影响之大,以致Java语言中单例类的例子也大多是懒汉式的。实际上,本书认为饿汉式单例类更符合Java语言本身的特点。”

    由此可见在应用设计模式的同时,分析具体的使用场景来选择合适的实现方式是非常必要的。

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