听说每个人都会写单例,你会了吗?

Posted by 程序亦非猿 on 2015-09-10

单例模式(Singleton Pattern)

当我们有这样的需求:某一些类应该只存在一个实例 的时候,我们就可以用单例模式来应对.

单例模式:确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点.

单例模式是所有设计模式中最简单的一个,也是大部分人最早知道的一个设计模式.

但是即使是最简单的,也有很多可以推敲的细节,要做得对也不简单.

经典的单例

相信大家一定写过这样类似的单例模式代码:

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public class Singleton {
private static Singleton ins;
private Singleton() {}
public static Singleton getIns() {
if (null == ins) {
ins = new Singleton();
}
return ins;
}
}

简单总结一下这样的写法:

  1. 提供一个全局静态的getIns方法,使得易于使用.
  2. 延迟Singleton的实例化,节省资源(所谓的懒汉式).
  3. 缺点是线程不安全.当多个线程同时进入if (null == ins) {}的时候就会创建多个实例.

OK,接下来我们看来是要解决多线程不安全的问题了.

多线程安全

这个时候可能有的人就说了,这个太简单了,加一个synchronized不就结了吗?

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public static synchronized Singleton getIns() {
if (null == ins) {
ins = new Singleton();
}
return ins;
}

确实,增加synchronized之后能够迫使每个线程在进入这个方法之前,要先等别的线程离开该方法.也即避免了多个线程同时进入getIns方法.

诚然这个能解决问题,但是我们知道synchronized是非常耗性能的.
更何况:
我们只需要在第一次执行这个方法的时候同步,也就是说当ins实例化后,我们不再需要同步了
而如果我们加了synchronized,那么实例化后的每次调用getIns都是一种多余的消耗操作,是累赘

Ps:当然,如果哪些额外的负担你能接受(比如用的很少),那么添加`synchronized`的方法也是可以接受的,毕竟这是最简单的方式.

那么问题来了,如何改善?
如何确保单例,而又不影响性能?

性能进阶

接下去介绍一种更优秀的,线程安全的单例写法—双重检查锁模式(double check locking pattern)

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public class DoubleCheck {
private volatile static DoubleCheck ins;
private DoubleCheck() {}
public static DoubleCheck getIns() {
if (null==ins){ //检查
synchronized (DoubleCheck.class){
if (null == ins) { //又检查一次
ins = new DoubleCheck();
}
}
}
return ins;
}
}

注意这里的ins用了volatile关键字来修饰,为什么呢?
因为执行ins = new DoubleCheck()做了很多事情:

  1. 给ins分配内存
  2. 调用构造函数来初始化成员变量(可能会很久)
  3. 将ins对象指向分配的内存空间(执行完这步 ins才不为null)

上面的操作并不是原子操作,而jvm也可能重排序指令,导致第二三两步的执行顺序可能会被打乱,当第3步先于第2步完成,那么会导致有线程拿到了初始化未完毕的ins,那么就会错误,而这里利用了volatile禁止指令重排序优化特性,用来解决这个问题.

注:volatile 在java 5 后才有效,原因是 Java 5 以前的 JMM (Java 内存模型)是存在缺陷的,当然现在不需要担心这个啦!

小结

双重检查非常适用于高并发,我们熟知的开源库Eventbus,ImageLoader等都是用的双重检查锁方式实现单例

不过它,写起来稍微复杂了些,有没有简单点的呢?
答案是:有!

饿汉式

直接上代码吧

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public class Early {
private static final Early ins = new Early();
public static Early getIns() {
return ins;
}
}

饿汉式的原理其实是基于classloder机制来避免了多线程的同步问题

饿汉式与之前提到的懒汉式不同,它在我们调用getIns之前就实例化了(在类加载的时候就实例化了),所以不是一个懒加载,这样就有几个缺点:

  1. 延长了类加载时间
  2. 如果没用到这个类,就浪费了资源(加载了但是没用它)
  3. 不能传递参数(很显然适用的场景会减少)

静态内部类

静态内部类原理同上,另外虽然它看上去有点饿汉式,但是与之前的饿汉有点不同,它在类Singleton加载完毕后并没有实例化,而是当调用getIns去加载Holder的时候才会实例化,静态内部类的方式把实例化延迟到了内部类的加载中去了!所以它比饿汉式更优秀!(偷偷告诉你Effective Java中也推荐这个方式)

例子:

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

枚举

最后介绍一种,也是我在 EffectiveJava中看到的,但是在开发中我重来没看到过!

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public enum Singleton{
INSTANCE;
}

优点:简单,线程安全,防反序列化.
本人不太了解,也没用过,所以不敢乱说了~~~
值得一提的是 EffectiveJava 也提倡这个方式

这样真的就能保证单例是个单例了吗?

我们采用了很多方式来保证实例的唯一性,但是真的够了吗?
如果采用反射呢?
如果使用多个ClassLoder呢?
那是不是会实例化多个了呢?
思考一下吧~

总结

单例的实现方式有好多种,实际开发中看需求而定,个人比较推荐双重检查锁和静态内部类,这两个我比较常用,其他的说实话我一般不用.
同时也可以看到单例也有很多需要学习以及思考的地方,完全弄懂也不容易~

给自己定了一个每周一个设计模式的学习计划,希望能够坚持下去吧.
以上代码可以在我的Github上找到,好了,就这样,下次见.

More

聊完了单例的实现方式,其实单例还有一些比较有趣的,值得思考讨论的地方,下面推荐几个,有兴趣的可以去看看~

  1. 单例还是Util?
  2. 什么时候该使用单例?