文章转载自公众号 秉心说 , 作者 秉心说
枚举很适合用来实现单例模式。实际上,在 Effective Java 中也提到过(果然英雄所见略同):
单元素的枚举类型经常成为实现 Singleton 的最佳方法 。
首先什么是单例?就一条基本原则,单例对象的类只会被初始化一次。在 Java 中,我们可以说在 JVM 中只存在该类的唯一一个对象实例。在 Android 中,我们可以说在程序运行期间,该类有且仅有一个对象实例。说到单例模式的实现,你们肯定信手拈来,什么懒汉,饿汉,DCL,静态内部类,门清。在说单例之前,考虑下面几个问题:
你的单例线程安全吗?
你的单例反射安全吗?
你的单例序列化安全吗?
今天,我就来钻钻牛角尖,看看你们的单例是否真的 “单例”。
一、单例的一般实现
1、饿汉式
publicclassHungrySingleton{
privatestaticfinalHungrySingleton mInstance =newHungrySingleton();
privateHungrySingleton(){
}
publicstaticHungrySingletongetInstance(){
returnmInstance;
}
}
私有构造器是单例的一般套路,保证不能在外部新建对象。饿汉式在类加载时期就已经初始化实例,由于类加载过程是线程安全的,所以饿汉式默认也是线程安全的。它的缺点也很明显,我真正需要单例对象的时机是我调用 getInstance() 的时候,而不是类加载时期。如果单例对象是很耗资源的,如数据库,socket 等等,无疑是不合适的。于是就有了懒汉式。
2、懒汉式
publicclassLazySingleton{
privatestaticLazySingleton mInstance;
privateLazySingleton(){
}
publicstaticsynchronizedLazySingletongetInstance(){
if(mInstance ==null)
mInstance =newLazySingleton();
returnmInstance;
}
}
实例化的时机挪到了getInstance() 方法中,做到了 lazy init ,但也失去了类加载时期初始化的线程安全保障。因此使用了 synchronized 关键字来保障线程安全。但这显然是一个无差别攻击,管你要不要同步,管你是不是多线程,一律给我加锁。这也带来了额外的性能消耗。这点问题肯定难不倒程序员们,于是,双重检查锁定(DCL, Double Check Lock) 应运而生。
3、DCL
publicclassDCLSingleton{
privatestaticDCLSingleton mInstance;
privateDCLSingleton(){
}
publicstaticDCLSingletongetInstance(){
if(mInstance ==null) {// 1
synchronized(DCLSingleton.class) {// 2
if(mInstance ==null)// 3
mInstance =newDCLSingleton();// 4
}
}
returnmInstance;
}
}
1 处做第一次判断,如果已经实例化了,直接返回对象,避免无用的同步消耗。2 处仅对实例化过程做同步操作,保证单例。3处做第二次判断,只有mInstance 为空时再初始化。看起来时多么的完美,保证线程安全的同时又兼顾性能。但是 DCL 存在一个致命缺陷,就是重排序导致的多线程访问可能获得一个未初始化的对象。
首先记住上面标记的 4 行代码。其中第 4 行代码 mInstance = new DCLSingleton(); 在 JVM 看来有这么几步:
为对象分配内存空间
初始化对象
将 mInstance 引用指向第 1 步中分配的内存地址
在单线程内,在不影响执行结果的前提下,可能存在指令重排序。例如下列代码:
inta =1;
intb =2;
在 JVM 中你是无法确保这两行代码谁先执行的,因为谁先执行都不影响程序运行结果。同理,创建实例对象的三部中,第 2 步 初始化对象和 第 3 步将 mInstance 引用指向对象的内存地址 之间也是可能存在重排序的。
为对象分配内存空间
将 mInstance 引用指向第 1 步中分配的内存地址
初始化对象
这样的话,就存在这样一种可能。线程 A 按上面重排序之后的指令执行,当执行到第 2 行 将 mInstance 引用指向对象的内存地址时,线程 B 开始执行了,此时线程 A 已为mInstance赋值,线程 B 进行 DCL 的第一次判断if (mInstance == null),结果为false,直接返回mInstance 指向的对象,但是由于重排序的缘故,对象其实尚未初始化,这样就出问题了。还挺绕口的,借用 《Java 并发编程艺术》 中的一张表格,会对执行流程更加清晰。
时间线程 A线程 B
t1A1: 分配对象的内存空间
t2A3: 设置 mInstance 指向内存空间
t3B1: 判断 mInstance 是否为空
t4B2: 由于 mInstance 不为空,线程 B 将访问 mInstance 指向的对象
t5A2: 初始化对象
t6A3: 访问 mInstance 引用的对象
A3和A2 发生重排序导致线程 B 获取了一个尚未初始化的对象。
说了半天,该怎么改?其实很简单,禁止多线程下的重排序就可以了,只需要用 volatile关键字修饰mInstance 。在 JDK 1.5 中,增强了 volatile 的内存语义,对一个volatile 域的写,happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读。volatile 会禁止一些处理器重排序,此时 DCL 就做到了真正的线程安全。
4、静态内部类模式
publicclassStaticInnerSingleton{
privateStaticInnerSingleton(){}
privatestaticclassSingletonHolder{
privatestaticfinalStaticInnerSingleton mInstance=newStaticInnerSingleton();
}
publicstaticStaticInnerSingletongetInstance(){
returnSingletonHolder.mInstance;
}
}
鉴于 DCL 繁琐的代码,程序员又发明了静态内部类模式,它和饿汉式一样基于类加载时器的线程安全,但是又做到了延迟加载。SingletonHolder 是一个静态内部类,当外部类被加载的时候并不会初始化。当调用 getInstance() 方法时,才会被加载。
枚举单例暂且不提,放在最后再说。先对上面的单例模式做个检测。
二、真的是单例?
还记得开头的提问吗?
你的单例线程安全吗?
你的单例反射安全吗?
你的单例序列化安全吗?
上面大篇幅的论述都在说明线程安全。下面看看反射安全和序列化安全。
1、反射安全
直接上代码,我用 DCL 来做测试:
publicstaticvoidmain(String[] args){
DCLSingleton singleton1 = DCLSingleton.getInstance();
DCLSingleton singleton2 =null;
try{
Class clazz = DCLSingleton.class;
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
singleton2 = constructor.newInstance();
}catch(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(singleton1.hashCode());
System.out.println(singleton2.hashCode());
}
执行结果:
1627674070
1360875712
很无情,通过反射破坏了单例。如何保证反射安全呢?只能以暴制暴,当已经存在实例的时候再去调用构造函数直接抛出异常,对构造函数做如下修改:
privateDCLSingleton(){
if(mInstance!=null)
thrownewRuntimeException("想反射我,没门!");
}
上面的测试代码会直接抛出异常。
2、序列化安全
将你的单例类实现Serializable 持久化保存起来,日后再恢复出来,他还是单例吗?
publicstaticvoidmain(String[] args){
DCLSingleton singleton1 = DCLSingleton.getInstance();
DCLSingleton singleton2 =null;
try{
ObjectOutput output=newObjectOutputStream(newFileOutputStream("singleton.ser"));
output.writeObject(singleton1);
output.close();
ObjectInput input=newObjectInputStream(newFileInputStream("singleton.ser"));
singleton2= (DCLSingleton) input.readObject();
}catch(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(singleton1.hashCode());
System.out.println(singleton2.hashCode());
}
执行结果:
644117698
793589513
不堪一击。反序列化时生成了新的实例对象。要修复也很简单,只需要修改反序列化的逻辑就可以了,即重写 readResolve() 方法,使其返回统一实例。
protectedObjectreadResolve(){
returngetInstance();
}
脆弱不堪的单例模式经过重重考验,进化成了完全体,延迟加载,线程安全,反射安全,序列化安全。全部代码如下:
publicclassDCLSingletonimplementsSerializable{
privatestaticDCLSingleton mInstance;
privateDCLSingleton(){
if(mInstance!=null)
thrownewRuntimeException("想反射我,没门!");
}
publicstaticDCLSingletongetInstance(){
if(mInstance ==null) {
synchronized(DCLSingleton.class) {
if(mInstance ==null)
mInstance =newDCLSingleton();
}
}
returnmInstance;
}
protectedObjectreadResolve(){
returngetInstance();
}
}
三、枚举单例
枚举看到 DCL 就开始嘲笑他了,“你瞅瞅你那是啥,写个单例费那大劲呢?” 于是撸起袖子自己写了一个枚举单例:
publicenumEnumSingleton {
INSTANCE;
}
DCL 反问,“你这啥玩意,你这就是单例了?我来扒了你的皮看看 !” 于是 DCL 掏出 jad ,扒了 Enum 的衣服,拉出来示众:
publicfinalclassEnumSingletonextendsEnum{
publicstaticEnumSingleton[] values() {
return(EnumSingleton[])$VALUES.clone();
}
publicstaticEnumSingletonvalueOf(String s){
return(EnumSingleton)Enum.valueOf(test/singleton/EnumSingleton, s);
}
privateEnumSingleton(String s,inti){
super(s, i);
}
publicstaticfinalEnumSingleton INSTANCE;
privatestaticfinalEnumSingleton $VALUES[];
static{
INSTANCE =newEnumSingleton("INSTANCE",0);
$VALUES = (newEnumSingleton[] {
INSTANCE
});
}
}
我们依次来检查枚举单例的线程安全,反射安全,序列化安全。
首先枚举单例无疑是线程安全的,类似饿汉式,INSTANCE 的初始化放在了 static 静态代码段中,在类加载阶段执行。由此可见,枚举单例并不是延时加载的。
对于反射安全,又要掏出上面的检测代码了,根据EnumSingleton 的构造器,需要稍微做些改动:
publicstaticvoidmain(String[] args){
EnumSingleton singleton1 = EnumSingleton.INSTANCE;
EnumSingleton singleton2 =null;
try{
Class clazz = EnumSingleton.class;
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
constructor.setAccessible(true);
singleton2 = constructor.newInstance("test",1);
}catch(Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(singleton1.hashCode());
System.out.println(singleton2.hashCode());
}
结果直接报错,错误日志如下:
java.lang.IllegalArgumentException:Cannotreflectivelycreateenumobjects
atjava.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417)
atsingleton.SingleTest.main(SingleTest.java:16)
错误发生在Constructor.newInstance()方法,又要从源码中找答案了,在newInstance() 源码中,有这么一句:
if((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) !=0)
thrownewIllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
如果是枚举修饰的,直接抛出异常。和之前的对抗反射的手段一致,压根就不给你反射。所以,枚举单例也是天生反射安全的。
最后枚举单例也是序列化安全的,上篇文章中已经说明过,你可以运行测试代码试试。
看起来枚举单例的确是个不错的选择,代码简单,又能保证绝大多数情况下的单例实例唯一。但是真正在开发中大家好像用的并不多,更多的可能应该是枚举在 Java 1.5 中才添加,大家默认已经习惯了其他的单例实现方式。
四、代码最少的单例?
说到枚举单例代码简单,Kotlin 第一个站出来不服了。我敢说第一,谁敢说第二,给你们献丑了:
object KotlinSingleton { }
jad 反编译一下:
publicfinalclassKotlinSingleton{
privateKotlinSingleton(){
}
publicstaticfinalKotlinSingleton INSTANCE;
static{
KotlinSingleton kotlinsingleton =newKotlinSingleton();
INSTANCE = kotlinsingleton;
}
}
可以看到,Kotlin 的单例其实也是饿汉式的一种,不钻牛角尖的话,基本可以满足大部分需求。
吹毛求疵的谈了谈单例模式,可以看见要完全的保证单例还是有很多坑点的。在开发中并没有必要钻牛角尖,例如 Kotlin 默认提供的单例实现就是饿汉式而已,其实已经可以满足绝大多数的情况了。
由枚举引申出了这么一篇文章,大家姑且可以当做娱乐看一看,交个朋友。