如何正确地写出单例模式,单例模式

发布时间:2019-10-06  栏目:编程  评论:0 Comments

单例模式(Singleton)相信大家或多或少都用过,代码量不多,看起来也很简单,但是里面的学问却不简单。面试中经常会问到单例模式相关的问题,但是如果你只停留在最简单的使用上,那么想让面试官满意就很难了。单例模式用来保证应用中有且仅有一个实例,也是Android中用的较多的一种设计模式。单例模式有很多使用场景,例如,当一个对象需要频繁创建、销毁时,为了减少内存开销,可以使用单例模式。单例模式最关键的两点:**1、私有构造方法2、公有的对外调用接口**

单例模式算是设计模式中最容易理解,也是最容易手写代码的模式了吧。但是其中的坑却不少,所以也常作为面试题来考。本文主要对几种单例写法的整理,并分析其优缺点。很多都是一些老生常谈的问题,但如果你不知道如何创建一个线程安全的单例,不知道什么是双检锁,那这篇文章可能会帮助到你。

单例模式分为两种,饿汉式和懒汉式。常见简单写法如下所示:

懒汉式,线程不安全

当被问到要实现一个单例模式时,很多人的第一反应是写出如下的代码,包括教科书上也是这样教我们的。

public class Singleton {

 private static Singleton instance;
 private Singleton (){} 

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

这段代码简单明了,而且使用了懒加载模式,但是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用
getInstance() 的时候,就会创建多个实例。也就是说在多线程下不能正常工作。

一、饿汉式

 public class Singleton{ private static final Singleton instance = new Singleton(); //声明为static和final,第一次加载类到内存中时就会初始化 private Singleton(){} public static Singleton newInstance(){ return instance; }}

懒汉式,线程安全

为了解决上面的问题,最简单的方法是将整个 getInstance()
方法设为同步(synchronized)。

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

虽然做到了线程安全,并且解决了多实例的问题,但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用
getInstance()
方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要,即第一次创建单例实例对象时。这就引出了双重检验锁。

二、懒汉式

 public class Singleton{ private static Singleton instance = null; private Singleton(){} public static Singleton newInstance(){ if(instance == null){ instance = new Singleton(); //方法被调用的时候才生成实例 } return instance; }}

双重检验锁

双重检验锁模式(double checked locking
pattern),是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁,因为会有两次检查
instance ==
null,一次是在同步块外,一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次?因为可能会有多个线程一起进入同步块外的
if,如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。

public static Singleton getSingleton() {
   if (instance == null) { //Single Checked 
      synchronized (Singleton.class) { 
        if (instance == null) { //Double Checked 
            instance = new Singleton(); 
          }
       }
   }
 return instance ;
}

这段代码看起来很完美,很可惜,它是有问题。主要在于instance = new
Singleton()这句,这并非是一个原子操作,事实上在 JVM 中这句话大概做了下面
3 件事情。

  • 给 instance 分配内存
  • 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
  • 将instance对象指向分配的内存空间(执行完这步 instance 就为非 null
    了)

但是在 JVM
的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的,最终的执行顺序可能是
1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者,则在 3 执行完毕、2
未执行之前,被线程二抢占了,这时 instance 已经是非 null
了(但却没有初始化),所以线程二会直接返回
instance,然后使用,然后顺理成章地报错。

我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile
    private Singleton (){}

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

}

澳门新濠城唯一网址,有些人认为使用 volatile 的原因是可见性,也就是可以保证线程在本地不会存有
instance 的副本,每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用 volatile
的主要原因是其另一个特性:禁止指令重排序优化。也就是说,在 volatile
变量的赋值操作后面会有一个内存屏障(生成的汇编代码上),读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子,取操作必须在执行完
1-2-3 之后或者 1-3-2 之后,不存在执行到 1-3
然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话,就是对于一个
volatile
变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作(这里的“后面”是时间上的先后顺序)。

但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile
的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM (Java
内存模型)是存在缺陷的,即时将变量声明成 volatile
也不能完全避免重排序,主要是 volatile
变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java
5 中才得以修复,所以在这之后才可以放心使用 volatile。

相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式,当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

三、饿汉式与懒汉式的区别

对比这两种方式的代码我们可以看出,饿汉式在类第一次加载进内存就实例化了,而懒汉式使用了懒加载模式,当方法被调用时类对象的实例时才生成。根据名称也很好理解,饿汉式很饿,刚一加载进内存,不等你说,就迫不及待生成“食物”充饥;懒汉式很懒,需要的时候你催我,我才给你生成。

饿汉式 static final field

这种方法非常简单,因为单例的实例被声明成 static 和 final
变量了,在第一次加载类到内存中时就会初始化,所以创建实例本身是线程安全的。

public class Singleton{
    //类加载时就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

这种写法如果完美的话,就没必要在啰嗦那么多双检锁的问题了。缺点是它不是一种懒加载模式(lazy
initialization),单例会在加载类后一开始就被初始化,即使客户端没有调用
getInstance()方法。饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用:譬如
Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的,在 getInstance()
之前必须调用某个方法设置参数给它,那样这种单例写法就无法使用了。

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