java Singleton 几种方式解析

概念：

在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在

运用：

1）系统资源，如文件路径，数据库链接，系统常量等

2）全局状态化类，类似AutomicInteger的使用

优缺点：

1）节省内存有利于垃圾回收

2）只能使用在特定的环境下,受限制于JVM和容器

     单例作用范围的前提是在一个ClassLoad下。所以像分布式应用EJB就要用其它的方式来解决单例问题。

Demo：

分别列出多种实现方式，各分析其优缺点

1）静态成员直接初始化，或者在静态代码块初始化都可以

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

 

      该实现只要在一个ClassLoad下就会提供一个对象的单例。但是美中不足的是，不管该资源是否被请求，它都会创建一个对象，占用jvm内存。从lazy initialization思想出发，出现了下2的写法

2）根据lazy initialization思想，使用到时才初始化。

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

 

       该实现方法加了同步锁，可以有效防止多线程在执行getInstance方法得到2个对象。

缺点：只有在第一次调用的时候，才会出现生成2个对象，才必须要求同步。而一旦singleton 不为null，系统依旧花费同步锁开销，有点得不偿失。

因此再改进出现写法3

3）在2的基础上改进，改进标准：尽量减少锁资源(主要体现在执行时间，所占内存等)

 class Singleton{
     private Singleton(){}
     private static Singleton singleton ;
     public static Singleton getInstance(){
         if(singleton==null)//1
             synchronized(Singleton.class){//2
                 singleton = new Singleton();//3
             }
         return singleton;
     }
 }

 

这种写法减少了锁开销，但是在如下情况，却创建了2个对象：

a:线程1执行到1挂起，线程1认为singleton为null

b:线程2执行到1挂起，线程2认为singleton为null

c:线程1被唤醒执行synchronized块代码，走完创建了一个对象

d:线程2被唤醒执行synchronized块代码，走完创建了另一个对象

所以看出这种写法，并不完美。

4）为了解决3存在的问题，引入双重检查锁定

 public static Singleton getInstance(){
         if(singleton==null)//1
             synchronized(Singleton.class){//2
                 if(singleton==null)//3
                     singleton = new Singleton();//4
             }
         return singleton;
     }

 

      在同步锁代码块内部，再判断一次对象是否为null，为null才创建对象。这种写法已经接近完美：

a:线程1执行到1，已经进入synchronized的时候，线程挂起，线程1占有Singleton.class资源锁；

b:线程2执行到1，当它准备synchronized块时，因为Singleton.class被占用，线程2阻塞；

c:线程1被唤醒，判断出对象为null，执行完创建一个对象

d:线程2被唤醒，判断出对象不为null，不执行创建语句

      如此分析，发现似乎没问题。

      但是实际上并不能保证它在单处理器或多处理器上正确运行；

      问题就出现在singleton = new Singleton()这一行代码。它可以简单的分成如下三个步骤：

mem= singleton();//1

instance = mem;//2

ctorSingleton(instance);//3

       这行代码先在内存开辟空间，赋给singleton的引用，然后执行new 初始化数据，但是注意初始化是要消耗时间。如果此时线程3在执行步骤1的时候，发现singleton 为非null，就直接返回，那么线程3返回的其实是一个没构造完成的对象。

      我们期望1,2,3 按照反序执行，但是实际jvm内存模型，并没有明确的有序指定。

      这归咎于java的平台的内存模型允许“无序写入”。

5）在4的基础上引入volatile

代码如下：

 

 class Singleton{
     private Singleton(){}
     private static volatile Singleton singleton ;
     public static Singleton getInstance(){
         if(singleton==null)//1
             synchronized(Singleton.class){//2
                 if(singleton==null)//3
                     singleton = new Singleton();
             }
         return singleton;
     }
 }

 

       Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性，但是不具备原子特性。这就是说线程能够自动发现 volatile 变量的最新值。

而volatile使用时有明确的规定：

1.       对变量的写操作不依赖于当前值；
2.       该变量没有包含在具有其他变量的不变式中；

—— 只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile。

但是5的写法，虽然理论上似乎可以解决无序写入问题。实际上并非如此。

（我个人觉得这里对volatile语法说的不够详细，想知道详细的可以看这篇转帖Java 理论与实践: 正确使用 Volatile 变量 ）

小结：

1）使用同步锁方法，内部锁存在不安全。

2）静态成员直接初始化。