【深入】java 单例模式

关于单例模式的文章，其实网上早就已经泛滥了。但一个小小的单例，里面却是有着许多的变化。网上的文章大多也是提到了其中的一个或几个点，很少有比较全面且脉络清晰的文章，于是，我便萌生了写这篇文章的念头。企图把这个单例说透，说深入。但愿我不会做的太差。

　　首先来看一个典型的实现：

 1 /**
 2  * 基础的单例模式，Lazy模式，非线程安全
 3  * 优点：lazy，初次使用时实例化单例，避免资源浪费
 4  * 缺点：1、lazy，如果实例初始化非常耗时，初始使用时，可能造成性能问题
 5  * 2、非线程安全。多线程下可能会有多个实例被初始化。
 6  * 
 7  * @author laichendong
 8  * @since 2011-12-5
 9  */
10 public class SingletonOne {
11     
12     /** 单例实例变量 */
13     private static SingletonOne instance = null;
14     
15     /**
16      * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。
17*/
18     private SingletonOne() {
19         
20     }
21     
22     /**
23      * 获取单例对象实例
24      * 
25      * @return 单例对象
26*/
27     public static SingletonOne getInstance() {
28         if (instance == null) { // 1
29             instance = new SingletonOne(); // 2
30         }
31         return instance;
32     }
33     
34 }

　　注释中已经有简单的分析了。接下来分析一下关于“非线程安全”的部分。

　　1、当线程A进入到第28行（#1）时，检查instance是否为空，此时是空的。
　　2、此时，线程B也进入到28行（#1）。切换到线程B执行。同样检查instance为空，于是往下执行29行（#2），创建了一个实例。接着返回了。
　　3、在切换回线程A，由于之前检查到instance为空。所以也会执行29行（#2）创建实例。返回。
　　4、至此，已经有两个实例被创建了，这不是我们所希望的。 

 怎么解决线程安全问题？

　　方法一：同步方法。即在getInstance()方法上加上synchronized关键字。这时单例变成了　　

使用同步方法的单例

 

　　加上synchronized后确实实现了线程的互斥访问getInstance()方法。从而保证了线程安全。但是这样就完美了么？我们看。其实在典型实现里，会导致问题的只是当instance还没有被实例化的时候，多个线程访问#1的代码才会导致问题。而当instance已经实例化完成后。每次调用getInstance()，其实都是直接返回的。即使是多个线程访问，也不会出问题。但给方法加上synchronized后。所有getInstance()的调用都要同步了。其实我们只是在第一次调用的时候要同步。而同步需要消耗性能。这就是问题。

　　方法二：双重检查加锁Double-checked locking。
　　其实经过分析发现，我们只要保证 instance = new SingletonOne(); 是线程互斥访问的就可以保证线程安全了。那把同步方法加以改造，只用synchronized块包裹这一句。就得到了下面的代码：

1     public static SingletonThree getInstance() {
2         if (instance == null) { // 1
3             synchronized (SingletonThree.class) {
4                 instance = new SingletonThree(); // 2
5             }
6         }
7         return instance;
8     }

 

　　这个方法可行么？分析一下发现是不行的！
　　1、线程A和线程B同时进入//1的位置。这时instance是为空的。
　　2、线程A进入synchronized块，创建实例，线程B等待。
　　3、线程A返回，线程B继续进入synchronized块，创建实例。。。
　　4、这时已经有两个实例创建了。 

　　为了解决这个问题。我们需要在//2的之前，再加上一次检查instance是否被实例化。（双重检查加锁）接下来，代码变成了这样：

 1     public static SingletonThree getInstance() {
 2         if (instance == null) { // 1
 3             synchronized (SingletonThree.class) {
 4                 if (instance == null) { 
 5                     instance = new SingletonThree(); // 2
 6                 }
 7             }
 8         }
 9         return instance;
10     }

 

　　这样，当线程A返回，线程B进入synchronized块后，会先检查一下instance实例是否被创建，这时实例已经被线程A创建过了。所以线程B不会再创建实例，而是直接返回。貌似！到此为止，这个问题已经被我们完美的解决了。遗憾的是，事实完全不是这样！这个方法在单核和 多核的cpu下都不能保证很好的工作。导致这个方法失败的原因是当前java平台的内存模型。java平台内存模型中有一个叫“无序写”（out-of-order writes）的机制。正是这个机制导致了双重检查加锁方法的失效。这个问题的关键在上面代码上的第5行：instance = new SingletonThree(); 这行其实做了两个事情：1、调用构造方法，创建了一个实例。2、把这个实例赋值给instance这个实例变量。可问题就是，这两步jvm是不保证顺序的。也就是说。可能在调用构造方法之前，instance已经被设置为非空了。下面我们看一下出问题的过程：
　　1、线程A进入getInstance()方法。
　　2、因为此时instance为空，所以线程A进入synchronized块。
　　3、线程A执行 instance = new SingletonThree(); 把实例变量instance设置成了非空。（注意，实在调用构造方法之前。）
　　4、线程A退出，线程B进入。
　　5、线程B检查instance是否为空，此时不为空（第三步的时候被线程A设置成了非空）。线程B返回instance的引用。（问题出现了，这时instance的引用并不是SingletonThree的实例，因为没有调用构造方法。） 
　　6、线程B退出，线程A进入。
　　7、线程A继续调用构造方法，完成instance的初始化，再返回。 

　　好吧，继续努力，解决由“无序写”带来的问题。

 1     public static SingletonThree getInstance() {
 2         if (instance == null) { 
 3             synchronized (SingletonThree.class) {           // 1
 4                 SingletonThree temp = instance;             // 2
 5                 if (temp == null) {
 6                     synchronized (SingletonThree.class) {   // 3
 7                         temp = new SingletonThree();        // 4
 8                     }
 9                     instance = temp;                        // 5
10                 }
11             }
12         }
13         return instance;
14     }

 

　　解释一下执行步骤。
　　1、线程A进入getInstance()方法。
　　2、因为instance是空的 ，所以线程A进入位置//1的第一个synchronized块。
　　3、线程A执行位置//2的代码，把instance赋值给本地变量temp。instance为空，所以temp也为空。 
　　4、因为temp为空，所以线程A进入位置//3的第二个synchronized块。
　　5、线程A执行位置//4的代码，把temp设置成非空，但还没有调用构造方法！（“无序写”问题） 
　　6、线程A阻塞，线程B进入getInstance()方法。
　　7、因为instance为空，所以线程B试图进入第一个synchronized块。但由于线程A已经在里面了。所以无法进入。线程B阻塞。
　　8、线程A激活，继续执行位置//4的代码。调用构造方法。生成实例。
　　9、将temp的实例引用赋值给instance。退出两个synchronized块。返回实例。
　　10、线程B激活，进入第一个synchronized块。
　　11、线程B执行位置//2的代码，把instance实例赋值给temp本地变量。
　　12、线程B判断本地变量temp不为空，所以跳过if块。返回instance实例。

　　好吧，问题终于解决了，线程安全了。但是我们的代码由最初的3行代码变成了现在的一大坨~。于是又有了下面的方法。

　　方法三：预先初始化static变量。

 1 /**
 2  * 预先初始化static变量 的单例模式  非Lazy  线程安全
 3  * 优点：
 4  * 1、线程安全 
 5  * 缺点：
 6  * 1、非懒加载，如果构造的单例很大，构造完又迟迟不使用，会导致资源浪费。
 7  * 
 8  * @author laichendong
 9  * @since 2011-12-5
10  */
11 public class SingletonFour {
12     
13     /** 单例变量 ,static的，在类加载时进行初始化一次，保证线程安全 */
14     private static SingletonFour instance = new SingletonFour();
15     
16     /**
17      * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。
18      */
19     private SingletonFour() {
20         
21     }
22     
23     /**
24      * 获取单例对象实例
25      * 
26      * @return 单例对象
27      */
28     public static SingletonFour getInstance() {
29         return instance;
30     }
31     
32 }

　　看到这个方法，世界又变得清净了。由于java的机制，static的成员变量只在类加载的时候初始化一次，且类加载是线程安全的。所以这个方法实现的单例是线程安全的。但是这个方法却牺牲了Lazy的特性。单例类加载的时候就实例化了。如注释所述：非懒加载，如果构造的单例很大，构造完又迟迟不使用，会导致资源浪费。

　　那到底有没有完美的办法？懒加载，线程安全，代码简单。

　　方法四：使用内部类。

 

 1 /**
 2  * 基于内部类的单例模式  Lazy  线程安全
 3  * 优点：
 4  * 1、线程安全
 5  * 2、lazy
 6  * 缺点：
 7  * 1、待发现
 8  * 
 9  * @author laichendong
10  * @since 2011-12-5
11  */
12 public class SingletonFive {
13     
14     /**
15      * 内部类，用于实现lzay机制
16 */
17     private static class SingletonHolder{
18         /** 单例变量  */
19         private static SingletonFive instance = new SingletonFive();
20     }
21     
22     /**
23      * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。
24 */
25     private SingletonFive() {
26         
27     }
28     
29     /**
30      * 获取单例对象实例
31      * 
32      * @return 单例对象
33 */
34     public static SingletonFive getInstance() {
35         return SingletonHolder.instance;
36     }
37     
38 }

　　解释一下，因为java机制规定，内部类SingletonHolder只有在getInstance()方法第一次调用的时候才会被加载（实现了lazy），而且其加载过程是线程安全的（实现线程安全）。内部类加载的时候实例化一次instance。

 

　　最后，总结一下：
　　1、如果单例对象不大，允许非懒加载，可以使用方法三。
　　2、如果需要懒加载，且允许一部分性能损耗，可以使用方法一。（官方说目前高版本的synchronized已经比较快了）
　　3、如果需要懒加载，且不怕麻烦，可以使用方法二。
　　4、如果需要懒加载，没有且！推荐使用方法四。