【深入】java 单例模式

转自:http://www.cnblogs.com/coffee/archive/2011/12/05/inside-java-singleton.html

关于单例模式的文章,其实网上早就已经泛滥了。但一个小小的单例,里面却是有着许多的变化。网上的文章大多也是提到了其中的一个或几个点,很少有比较全面且脉络清晰的文章,于是,我便萌生了写这篇文章的念头。企图把这个单例说透,说深入。但愿我不会做的太差。

  首先来看一个典型的实现:

复制代码

 1 /**
 2 *
基础的单例模式,Lazy模式,非线程安全
 3  * 优点:lazy,初次使用时实例化单例,避免资源浪费
 4  * 缺点:1、lazy,如果实例初始化非常耗时,初始使用时,可能造成性能问题
 5  * 2、非线程安全。多线程下可能会有多个实例被初始化。
 6  *
 7 * @author laichendong
 8 * @since 2011-12-5
 9  */
10 public class SingletonOne {
11    
12     /**
单例实例变量 */
13     private staticSingletonOne instance = null;
14    
15     /**
16      *
私有化的构造方法,保证外部的类不能通过构造器来实例化。
17*/
18     private SingletonOne() {
19        
20     }
21    
22     /**
23      *
获取单例对象实例
24      *
25      * @return
单例对象
26*/
27     public staticSingletonOne getInstance() {
28        if (instance == null){ // 1
29             instance = new SingletonOne(); // 2
30         }
31        return instance;
32     }
33    
34 }

复制代码

  注释中已经有简单的分析了。接下来分析一下关于“非线程安全”的部分。

  1、当线程A进入到第28行(#1)时,检查instance是否为空,此时是空的。
  2、此时,线程B也进入到28行(#1)。切换到线程B执行。同样检查instance为空,于是往下执行29行(#2),创建了一个实例。接着返回了。
  3、在切换回线程A,由于之前检查到instance为空。所以也会执行29行(#2)创建实例。返回。
  4、至此,已经有两个实例被创建了,这不是我们所希望的。 

 怎么解决线程安全问题?

  方法一:同步方法。即在getInstance()方法上加上synchronized关键字。这时单例变成了  

http://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif

复制代码

 1 /**
 2 * copyright sf-express Inc
 3  */
 4 package com.something.singleton;
 5
 6 /**
 7 *
同步方法 的单例模式,Lazy模式,线程安全
 8  * 优点:
 9  * 1、lazy,初次使用时实例化单例,避免资源浪费
10  * 2、线程安全
11  * 缺点:
12  * 1、lazy,如果实例初始化非常耗时,初始使用时,可能造成性能问题
13  * 2、每次调用getInstance()都要获得同步锁,性能消耗。
14  *
15  * @author laichendong
16  * @since 2011-12-5
17 */
18 public class SingletonTwo {
19    
20     /**
单例实例变量 */
21     private staticSingletonTwo instance = null;
22    
23     /**
24      *
私有化的构造方法,保证外部的类不能通过构造器来实例化。
25 */
26     private SingletonTwo() {
27        
28     }
29    
30     /**
31      *
获取单例对象实例
32      * 同步方法,实现线程互斥访问,保证线程安全。
33      *
34      * @return
单例对象
35 */
36     public static synchronized SingletonTwo getInstance() {
37        if (instance == null){ // 1
38             instance = new SingletonTwo(); // 2
39         }
40        return instance;
41     }
42    
43 }

复制代码

 

  加上synchronized后确实实现了线程的互斥访问getInstance()方法。从而保证了线程安全。但是这样就完美了么?我们看。其实在典型实现里,会导致问题的只是当instance还没有被实例化的时候,多个线程访问#1的代码才会导致问题。而当instance已经实例化完成后。每次调用getInstance(),其实都是直接返回的。即使是多个线程访问,也不会出问题。但给方法加上synchronized后。所有getInstance()的调用都要同步了。其实我们只是在第一次调用的时候要同步。而同步需要消耗性能。这就是问题。

  方法二:双重检查加锁Double-checked locking。
  
其实经过分析发现,我们只要保证 instance = new SingletonOne(); 是线程互斥访问的就可以保证线程安全了。那把同步方法加以改造,只用synchronized块包裹这一句。就得到了下面的代码:

复制代码

1     public static SingletonThree getInstance() {
2        if (instance == null){ // 1
3             synchronized(SingletonThree.class) {
4                 instance = new SingletonThree(); // 2
5             }
6        }
7        return instance;
8     }

复制代码

 

  这个方法可行么?分析一下发现是不行的!
  1、线程A和线程B同时进入//1的位置。这时instance是为空的。
  2、线程A进入synchronized块,创建实例,线程B等待。
  3、线程A返回,线程B继续进入synchronized块,创建实例。。。
  4、这时已经有两个实例创建了。 

  为了解决这个问题。我们需要在//2的之前,再加上一次检查instance是否被实例化。(双重检查加锁)接下来,代码变成了这样:

复制代码

 1     public staticSingletonThree getInstance() {
 2         if(instance == null) { //1
 3             synchronized(SingletonThree.class) {
 4                 if(instance == null) {
 5                     instance = new SingletonThree(); // 2
 6                 }
 7             }
 8         }
 9         returninstance;
10     }

复制代码

 

  这样,当线程A返回,线程B进入synchronized块后,会先检查一下instance实例是否被创建,这时实例已经被线程A创建过了。所以线程B不会再创建实例,而是直接返回。貌似!到 此为止,这个问题已经被我们完美的解决了。遗憾的是,事实完全不是这样!这个方法在单核和多核的cpu下都不能保证很好的工作。导致这个方法失败的原因是当前java平台的内存模型。java平台内存模型中有一个叫“无序写”(out-of- order writes)的机制。正是这个机制导致了双重检查加锁方法的失效。这个问题的关键在上面代码上的第5行:instance= new SingletonThree(); 这行其实做了两个事情:1、调用构造方法,创建了一个实例。2、把这个实例赋值给instance这个实例变量。可问题就是,这两步jvm是不保证顺序的。也就是说。可能在调用构造方法之前,instance已经被设置为非空了。下面我们看一下出问题的过程:
  1、线程A进入getInstance()方法。
  2、因为此时instance为空,所以线程A进入synchronized块。
  3、线程A执行 instance= new SingletonThree(); 把实例变量instance设置成了非空。(注意,实在调用构造方法之前。)
  4、线程A退出,线程B进入。
  5、线程B检查instance是否为空,此时不为空(第三步的时候被线程A设置成了非空)。线程B返回instance的引用。(问题出现了,这时instance的引用并不是SingletonThree的实例,因为没有调用构造方法。) 
  6、线程B退出,线程A进入。
  7、线程A继续调用构造方法,完成instance的初始化,再返回。 

  好吧,继续努力,解决由“无序写”带来的问题。

复制代码

 1     public staticSingletonThree getInstance() {
 2         if(instance == null) {
 3             synchronized(SingletonThree.class) {           // 1
 4                 SingletonThree temp = instance;             // 2
 5                 if(temp == null) {
 6                     synchronized(SingletonThree.class) {   // 3
 7                         temp = new SingletonThree();        // 4
 8                     }
 9                     instance = temp;                        // 5
10                 }
11            }
12        }
13        return instance;
14     }

复制代码

 

  解释一下执行步骤。
  1、线程A进入getInstance()方法。
  2、因为instance是空的 ,所以线程A进入位置//1的第一个synchronized块。
  3、线程A执行位置//2的代码,把instance赋值给本地变量temp。instance为空,所以temp也为空。 
  4、因为temp为空,所以线程A进入位置//3的第二个synchronized块。
  5、线程A执行位置//4的代码,把temp设置成非空,但还没有调用构造方法!(“无序写”问题) 
  6、线程A阻塞,线程B进入getInstance()方法。
  7、因为instance为空,所以线程B试图进入第一个synchronized块。但由于线程A已经在里面了。所以无法进入。线程B阻塞。
  8、线程A激活,继续执行位置//4的代码。调用构造方法。生成实例。
  9、将temp的实例引用赋值给instance。退出两个synchronized块。返回实例。
  10、线程B激活,进入第一个synchronized块。
  11、线程B执行位置//2的代码,把instance实例赋值给temp本地变量。
  12、线程B判断本地变量temp不为空,所以跳过if块。返回instance实例。

  好吧,问题终于解决了,线程安全了。但是我们的代码由最初的3行代码变成了现在的一大坨~。于是又有了下面的方法。

  方法三:预先初始化static变量。

复制代码

 1 /**
 2 *
预先初始化static变量 的单例模式  非Lazy  线程安全
 3  * 优点:
 4  * 1、线程安全
 5  * 缺点:
 6  * 1、非懒加载,如果构造的单例很大,构造完又迟迟不使用,会导致资源浪费。
 7  *
 8 * @author laichendong
 9 * @since 2011-12-5
10 */
11 public class SingletonFour {
12    
13     /**
单例变量 ,static的,在类加载时进行初始化一次,保证线程安全 */
14     private staticSingletonFour instance = new SingletonFour();
15    
16     /**
17      *
私有化的构造方法,保证外部的类不能通过构造器来实例化。
18      */
19     private SingletonFour() {
20        
21     }
22    
23     /**
24      *
获取单例对象实例
25      *
26      * @return
单例对象
27      */
28     public staticSingletonFour getInstance() {
29        return instance;
30     }
31    
32 }

复制代码

  看到这个方法,世界又变得清净了。由于java的机制,static的成员变量只在类加载的时候初始化一次,且类加载是线程安全的。所以这个方法实现的单例是线程安全的。但是这个方法却牺牲了Lazy的特性。单例类加载的时候就实例化了。如注释所述:非懒加载,如果构造的单例很大,构造完又迟迟不使用,会导致资源浪费。

  那到底有没有完美的办法?懒加载,线程安全,代码简单。

  方法四:使用内部类。

 

复制代码

 1 /**
 2 *
基于内部类的单例模式  Lazy  线程安全
 3  * 优点:
 4  * 1、线程安全
 5  * 2、lazy
 6  * 缺点:
 7  * 1、待发现
 8  *
 9 * @author laichendong
10  * @since 2011-12-5
11 */
12 public class SingletonFive {
13    
14     /**
15      *
内部类,用于实现lzay机制
16 */
17     private static class SingletonHolder{
18        /**
单例变量  */
19        private staticSingletonFive instance = new SingletonFive();
20     }
21    
22     /**
23      *
私有化的构造方法,保证外部的类不能通过构造器来实例化。
24 */
25     private SingletonFive() {
26        
27     }
28    
29     /**
30      *
获取单例对象实例
31      *
32      * @return
单例对象
33 */
34     public staticSingletonFive getInstance() {
35        return SingletonHolder.instance;
36     }
37    
38 }

复制代码

  解释一下,因为java机制规定,内部类SingletonHolder只有在getInstance()方法第一次调用的时候才会被加载(实现了lazy),而且其加载过程是线程安全的(实现线程安全)。内部类加载的时候实例化一次instance。

 

  最后,总结一下:
  1、如果单例对象不大,允许非懒加载,可以使用方法三。
  2、如果需要懒加载,且允许一部分性能损耗,可以使用方法一。(官方说目前高版本的synchronized已经比较快了)
  3、如果需要懒加载,且不怕麻烦,可以使用方法二。
  4、如果需要懒加载,没有且!推荐使用方法四。 

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