第3章 單例(Singleton)模式

3.1 概述

如果要保證系統(tǒng)里一個(gè)類最多只能存在一個(gè)實(shí)例時(shí)，我們就需要單例模式。這種情況在我們應(yīng)用中經(jīng)常碰到，例如緩存池，數(shù)據(jù)庫(kù)連接池，線程池，一些應(yīng)用服務(wù)實(shí)例等。在多線程環(huán)境中，為了保證實(shí)例的唯一性其實(shí)并不簡(jiǎn)單，這章將和讀者一起探討如何實(shí)現(xiàn)單例模式。

3.2 最簡(jiǎn)單的單例

為了限制該類的對(duì)象被隨意地創(chuàng)建，我們保證該類構(gòu)造方法是私有的，這樣外部類就無(wú)法創(chuàng)建該類型的對(duì)象了;另外，為了給客戶對(duì)象提供對(duì)此單例對(duì)象的使用，我們?yōu)樗峁┮粋€(gè)全局訪問(wèn)點(diǎn)，代碼如下所示：

public class Singleton {   
    private static Singleton instance = new Singleton();     
    //other fields…   
 
    private Singleton() {   
    }   
 
    public static Singleton getInstance() {   
        return instance;   
    }   
     
    //other methods…   
}   

代碼注解：

l Singleton類的只有一個(gè)構(gòu)造方法，它是被private修飾的，客戶對(duì)象無(wú)法創(chuàng)建該類實(shí)例。

l 我們?yōu)榇藛卫龑?shí)現(xiàn)的全局訪問(wèn)點(diǎn)是public static Singleton getInstance()方法，注意，instance變量是私有的，外界無(wú)法訪問(wèn)的。

讀者還可以定義instance變量是public的，這樣把屬性直接暴露給其他對(duì)象，就沒(méi)必要實(shí)現(xiàn)public static Singleton getInstance()方法，但是可讀性沒(méi)有方法來(lái)的直接，而且把該實(shí)例變量的名字直接暴露給客戶程序，增加了代碼的耦合度，如果改變此變量名稱，會(huì)引起客戶類的改變。

還有一點(diǎn)，如果該實(shí)例需要比較復(fù)雜的初始化過(guò)程時(shí)，把這個(gè)過(guò)程應(yīng)該寫(xiě)在static{…}代碼塊中。

l 此實(shí)現(xiàn)是線程安全的，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)去訪問(wèn)該類的getInstance()方法時(shí)，不會(huì)初始化多個(gè)不同的對(duì)象，這是因?yàn)?，JVM(Java Virtual Machine)在加載此類時(shí)，對(duì)于static屬性的初始化只能由一個(gè)線程執(zhí)行且僅一次[1]。

由于此單例提供了靜態(tài)的公有方法，那么客戶使用單例模式的代碼也就非常簡(jiǎn)單了，如下所示：

Singleton singleton = Singleton.getInstance();

3.3 進(jìn)階

3.3.1 延遲創(chuàng)建

如果出于性能等的考慮，我們希望延遲實(shí)例化單例對(duì)象(Static屬性在加載類是就會(huì)被初始化)，只有在第一次使用該類的實(shí)例時(shí)才去實(shí)例化，我們應(yīng)該怎么辦呢?

這個(gè)其實(shí)并不難做到，我們把單例的實(shí)例化過(guò)程移至getInstance()方法，而不在加載類時(shí)預(yù)先創(chuàng)建。當(dāng)訪問(wèn)此方法時(shí)，首先判斷該實(shí)例是不是已經(jīng)被實(shí)例化過(guò)了，如果已被初始化，則直接返回這個(gè)對(duì)象的引用;否則，創(chuàng)建這個(gè)實(shí)例并初始化，最后返回這個(gè)對(duì)象引用。代碼片段如下所示：

public class UnThreadSafeSingelton {   
    //variables and constructors…   
 
    public static UnThreadSafeSingelton getInstance() {   
        if(instatnce ==null){   
          instatnce = new UnThreadSafeSingelton();   
        }   
        return instatnce;   
    }   
}   

我們使用這句if(instatnce ==null) 判斷是否實(shí)例化完成了。此方法不是線程安全的，接下來(lái)我們將會(huì)討論。

3.3.2 線程安全

上節(jié)我們創(chuàng)建了可延遲初始化的單例，然而不幸的是，在高并發(fā)的環(huán)境中，getInstance()方法返回了多個(gè)指向不同的該類實(shí)例，究竟是什么原因呢?我們針對(duì)此方法，給出兩個(gè)線程并發(fā)訪問(wèn)getInstance()方法時(shí)的一種情況，如下所示：

t1 t2

1 if(instatnce ==null)

2 if(instatnce ==null)

3 instatnce = new UnThreadSafeSingelton();

4 return instatnce;

5 instatnce = new UnThreadSafeSingelton()

6 return instatnce;

如果這兩個(gè)線程按照上述步驟執(zhí)行，不難發(fā)現(xiàn)，在時(shí)刻1和2，由于還沒(méi)有創(chuàng)建單例對(duì)象，Thread1和Thread2都會(huì)進(jìn)入創(chuàng)建單例實(shí)例的代碼塊分別創(chuàng)建實(shí)例。在時(shí)刻3，Thread1創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)例對(duì)象，但是Thread2此時(shí)已無(wú)法知道，繼續(xù)創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例對(duì)象，于是這兩個(gè)線程持有的實(shí)例并非為同一個(gè)。更為糟糕的是，在沒(méi)有自動(dòng)內(nèi)存回收機(jī)制的語(yǔ)言平臺(tái)上運(yùn)行這樣的單例模式，例如使用C++編寫(xiě)此模式，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為創(chuàng)建了一個(gè)單例實(shí)例，忽略了其他線程所產(chǎn)生的對(duì)象，不會(huì)手動(dòng)去回收它們，引起了內(nèi)存泄露。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們給此方法添加synchronized關(guān)鍵字，代碼如下：

public class ThreadSafeSingelton {   
    //variables and constructors…   
 
    public static synchronized ThreadSafeSingelton getInstance() {   
        if(instatnce ==null){   
            instatnce = new ThreadSafeSingelton();   
        }   
        return instatnce;   
    }   
}   

這樣，再多的線程訪問(wèn)都只會(huì)實(shí)例化一個(gè)單例對(duì)象。

3.3.3 Double-Check Locking

上述途徑雖然實(shí)現(xiàn)了多線程的安全訪問(wèn)，但是在多線程高并發(fā)訪問(wèn)的情況下，給此方法加上synchronized關(guān)鍵字會(huì)使得性能大不如前。我們仔細(xì)分析一下不難發(fā)現(xiàn)，使用了synchronized關(guān)鍵字對(duì)整個(gè)getInstance()方法進(jìn)行同步是沒(méi)有必要的：我們只要保證實(shí)例化這個(gè)對(duì)象的那段邏輯被一個(gè)線程執(zhí)行就可以了，而返回引用的那段代碼是沒(méi)有必要同步的。按照這個(gè)想法，我們的代碼片段大致如下所示：

public class DoubleCheckSingleton {   
    private volatile static DoubleCheckSingleton instatnce = null;   
 
    //constructors   
 
    public static DoubleCheckSingleton getInstance() {   
        if (instatnce == null) {   //check if it is created.   
            synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {  //synchronize creation block   
                if (instatnce == null)   //double check if it is created   
                    instatnce = new DoubleCheckSingleton();   
            }   
        }   
        return instatnce;   
    }   
}   

代碼注解：

l 在getInstance()方法里，我們首先判斷此實(shí)例是否已經(jīng)被創(chuàng)建了，如果還沒(méi)有創(chuàng)建，首先使用synchronized同步實(shí)例化代碼塊。在同步代碼塊里，我們還需要再次檢查是否已經(jīng)創(chuàng)建了此類的實(shí)例，這是因?yàn)椋喝绻麤](méi)有第二次檢查，這時(shí)有兩個(gè)線程Thread A和Thread B同時(shí)進(jìn)入該方法，它們都檢測(cè)到instatnce為null，不管哪一個(gè)線程先占據(jù)同步鎖創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象，都不會(huì)阻止另外一個(gè)線程繼續(xù)進(jìn)入實(shí)例化代碼塊重新創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象，這樣，同樣會(huì)生成兩個(gè)實(shí)例對(duì)象。所以，我們?cè)谕降拇a塊里，進(jìn)行第二次判斷判斷該對(duì)象是否已被創(chuàng)建。

正是由于使用了兩次的檢查，我們稱之為double-checked locking模式。

l 屬性instatnce是被volatile修飾的，因?yàn)関olatile具有synchronized的可見(jiàn)性特點(diǎn)，也就是說(shuō)線程能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)volatile變量的最新值。這樣，如果instatnce實(shí)例化成功，其他線程便能立即發(fā)現(xiàn)。

注意：

此程序只有在JAVA 5及以上版本才能正常運(yùn)行，在以前版本不能保證其正常運(yùn)行。這是由于Java平臺(tái)的內(nèi)存模式容許out-of-order writes引起的，假定有兩個(gè)線程，Thread 1和Thread 2，它們執(zhí)行以下步驟：

1. Thread 1發(fā)現(xiàn)instatnce沒(méi)有被實(shí)例化，它獲得鎖并去實(shí)例化此對(duì)象，JVM容許在沒(méi)有完全實(shí)例化完成時(shí)，instance變量就指向此實(shí)例，因?yàn)檫@些步驟可以是out-of-order writes的，此時(shí)instance==null為false，之前的版本即使用volatile關(guān)鍵字修飾也無(wú)效。

2. 在初始化完成之前，Thread 2進(jìn)入此方法，發(fā)現(xiàn)instance已經(jīng)不為null了，Thread 2便認(rèn)為該實(shí)例初始化完成了，使用這個(gè)未完全初始化的實(shí)例對(duì)象，則很可能引起系統(tǒng)的崩潰。

3.3.4 Initialization on demand holder

要使用線程安全的延遲的單例初始化，我們還有一種方法，稱為Initialization on demand holder模式，代碼如下所示：

public class LazyLoadedSingleton {   
    private LazyLoadedSingleton() {   
       }   
 
       private static class LazyHolder {  //holds the singleton class   
              private static final LazyLoadedSingleton singletonInstatnce = new LazyLoadedSingleton();   
       }   
 
       public static LazyLoadedSingleton getInstance() {   
              return LazyHolder.singletonInstatnce;   
       }   
}   

當(dāng)JVM加載LazyLoadedSingleton類時(shí)，由于該類沒(méi)有static屬性，所以加載完成后便即可返回。只有第一次調(diào)用getInstance()方法時(shí)，JVM才會(huì)加載LazyHolder類，由于它包含一個(gè)static屬性singletonInstatnce，所以會(huì)首先初始化這個(gè)變量，根據(jù)前面的介紹，我們知道此過(guò)程并不會(huì)出現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題(JLS保證)，這樣即實(shí)現(xiàn)了一個(gè)既線程安全又支持延遲加載的單例模式。

3.3.5 Singleton的序列化

如果單例類實(shí)現(xiàn)了Serializable接口，這時(shí)我們得特別注意，因?yàn)槲覀冎涝谀J(rèn)情況下，每次反序列化(Desierialization)總會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例對(duì)象，這樣一個(gè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)對(duì)象供使用。我們應(yīng)該怎么辦呢?

熟悉Java序列化的讀者可能知道，我們需要在readResolve()方法里做文章，此方法在反序列化完成之前被執(zhí)行，我們?cè)诖朔椒ɡ锾鎿Q掉反序列化出來(lái)的那個(gè)新的實(shí)例，讓其指向內(nèi)存中的那個(gè)單例對(duì)象即可，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

import java.io.Serializable;   
 
public class SerialibleSingleton implements Serializable {   
    private static final long serialVersionUID = -6099617126325157499L;   
    static SerialibleSingleton singleton = new SerialibleSingleton();   
 
    private SerialibleSingleton() {   
    }   
 
    // This method is called immediately after an object of this class is deserialized.   
    // This method returns the singleton instance.   
    private Object readResolve() {   
        return singleton;   
    }   
}   

方法readResolve()直接返回singleton單例，這樣，我們?cè)趦?nèi)存中始終保持了一個(gè)唯一的單例對(duì)象。

3.4 總結(jié)

通過(guò)這一章的學(xué)習(xí)，我相信大家對(duì)于基本的單例模式已經(jīng)有了一個(gè)比較充分的認(rèn)識(shí)。其實(shí)我們這章討論的是在同一個(gè)JVM中，如何保證一個(gè)類只有一個(gè)單例，如果在分布式環(huán)境中，我們可能需要考慮如何保證在整個(gè)應(yīng)用(可能分布在不同JVM上)只有一個(gè)實(shí)例，但這也超出本書(shū)范疇，在這里將不再做深入研究，有興趣的讀者可以查閱相關(guān)資料深入研究。

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[1] Static屬性和Static初始化塊(Static Initializers)的初始化過(guò)程是串行的，這個(gè)由JLS(Java Language Specification)保證，參見(jiàn)James Gosling, Bill Joy, Guy Steele and Gilad Bracha編寫(xiě)的《 The Java™ Language Specification Third Edition》一書(shū)的12.4一節(jié)。

原文鏈接：http://redhat.iteye.com/blog/1007884