单例模式花样玩法

单例模式是设计模式中最为简单的一种,理解比较容易,但也是需要注意地方比较多的一种设计模式。往严格来说它设计到线程安全问题,指令重排序优化一些隐晦的性能问题。

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何为单例

在一个程序或者系统中某个对象只需要初始化一个出来,创建完成后任何地方都能使用到它,它通常是比较独立、使用频繁、作用关键的。比如在android的 application,这是一个全局的只要程序还存在进程,任何地方都可以使用到它,而且一个程序只会有一个application,程序在启动的时候就初始化了一个这样的单例实例。

  1. 懒加载单例模式

懒加载就是说类加载器加载class的时候这个实例还没有被初始化,需要通过一些具体的调用方式它才会触发GC创建实例

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

比如这个方法就是一个典型的懒加载,类加载器在加载类的时候只是在栈内存中初始化了一个 singleton的 static变量没有在堆内存中分配实例。分配实例需要调用getSignleton方法才会去走分配内存的逻辑。

这段代码是线程不安全的,多并发访问下会出多个实例,这种情况一旦发生那么单例的就没有作用了,这时候我们需要根据实际情况来对代码进行优化。

解决办法加Look

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    public synchronized static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

通过同步锁的可以解决并发情况创建多个实例的问题,但是这样的话效率到大大降低了,因为如果并发下获取这个实例 线程之间就必须得等前面的线程释放Look之后才能进行访问,在一些业务要求比较高的场景下这种情况可能会降低一些访问速度,这个时候就可以考虑双重锁了。

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;

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

这段代码进行了二次 ==null判断,首先写这个是为了解决实例化过的对象都进入同步,所以第一个判断是为了不为NulL能直接返回对象,第二个判断是如果A B 二线程,A进入了实例化完后释放锁,B进来如果不判断Null那就直接有实例化了一次, 所以二个判断都是有意义的。

但是这段代码可能还会涉及到一个指令重排的问题,有可能执行到sigonleton=new Singleton()就变其他线程抢占直接执行 return singleton了,这个时候就很自然的 null了。

声明volatile

public class Singleton {
    //声明成 volatile
    private volatile static Singleton instance;     private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {                         
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {       
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
   
}

这有一段晦涩的解释

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。

其实以上说的那种写法一般情况可以不必使用,太麻烦而且没必,但是我们需要懂写出它引发出的一些问题,更好的办法是使用饿汉模式来进行单例。

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

    public static Singleton getSingleton() {
        return singleton;
    }
}

这里我们直接在类加载的时候就实例化了对象,所以也有不存在什么线程安不安全的问题了,但是这种方式也有不好地方就是,如果实例化需要传递一些初始化参数进行的话,那么这种方式就有点尴尬了。

静态内部类 推荐的写法

public class Singleton {
    private static class SignletonHolder {
        private static final Singleton SINGLETON = new Singleton();
    }

    public static Singleton getSingleton() {
        return SignletonHolder.SINGLETON;
    }


    private Singleton() {
    }

}

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题;由于 SingletonHolder 是私有的,除了 getInstance() 之外没有办法访问它,因此它是懒汉式的;同时读取实例的时候不会进行同步,没有性能缺陷;也不依赖 JDK 版本。

枚举 Enum


public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}

我们可以通过EasySingleton.INSTANCE来访问实例,这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的,所以不需要担心double checked locking,而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象

最后

不管以哪种形式实现单例模式,它们的核心原理都是将构造函数私有化,并且通过静态方法获取一个唯一的实例,在这个获取的过程中你必须保证线程安全、反序列化导致重新生成实例对象等问题,该模式简单,但使用率较高。一般情况下直接使用饿汉式就好了,如果明确要求要懒加载(lazy initialization)会倾向于使用静态内部类,如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。

如何正确地写出单例模式

Android设计模式源码解析之单例模式

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