10 Java 多线程编程环境中单例模式的实现

在开发中,如果某个实例的创建需要消耗很多系统资源,那么我们通常会使用惰性加载机制,也就是说只有当使用到这个实例的时候才会创建这个实例,这个好处在单例模式中得到了广泛应用。这个机制在single-threaded环境下的实现非常简单,然而在multi-threaded 环境下却存在隐患。本文重点介绍惰性加载机制以及其在多线程环境下的使用方法。(作者numberzero,参考IBM 文章《Double-checked locking and the Singleton pattern》,欢迎转载与讨论)
1 单例模式的延迟加载

通常当我们设计一个单例类的时候,会在类的内部构造这个类,并对外提供一个static getInstance 方法提供获取该单例对象的途径。例如:

Singleton.java

public class Singleton {
	private static Singleton instance = new Singleton();

	private Singleton() {

	}

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

这样的代码缺点是:第一次加载类的时候会连带着创建Singleton 实例,这样的结果与我们所期望的不同,因为创建实例的时候可能并不是我们需要这个实例的时候。同时如果这个Singleton 实例的创建非常消耗系统资源,而应用始终都没有使用Singleton 实例,那么创建Singleton 消耗的系统资源就被白白浪费了。为了避免这种情况,我们通常使用延迟加载的机制,也就是在使用的时候才去创建。以上代码的延迟加载
代码如下:
Singleton.java

public class Singleton {
	private static Singleton instance = null;

	private Singleton() {

	}

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

这样,当我们第一次调用Singleton.getInstance()的时候,这个单例才被创建,而以后再次调用的时候仅仅返回这个单例就可以了。


2 延迟加载在多线程中的问题
先将延迟加载的代码提取出来:

	public static Singleton getInstance() {
		
		if (null == instance)
			instance = new Singleton();
		return instance;
	}
这是如果两个线程A 和B 同时执行了该方法,然后以如下方式执行:
1. A 进入if 判断,此时instance为null,因此进入if 内
2. B 进入if 判断,此时A 还没有创建instance,因此instance也为null,因此B 也进入if 内
3. A 创建了一个instance并返回
4. B 也创建了一个instance并返回

此时问题出现了,我们的单例被创建了两次,而这并不是我们所期望的。


3 各种解决方案及其存在的问题
3.1 使用Class 锁机制
以上问题最直观的解决办法就是给getInstance 方法加上一个synchronize 前缀,这样每次只允许一个线程调用
getInstance 方法:

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

这种解决办法的确可以防止错误的出现,但是它却很影响性能:每次调用getInstance 方法的时候都必须获得 Singleton 的锁,而实际上,当单例实例被创建以后,其后的请求没有必要再使用互斥机制了 3.2 double-checked locking
曾经有人为了解决以上问题,提出了double-checked locking 的解决方案
Java 代码

	public static Singleton getInstance() {
		if (null== instance)
			synchronized (instance) {
				if (null== instance)
					instance = new Singleton();
			}
		return instance;
	}
让我们来看一下这个代码是如何工作的:首先当一个线程发出请求后,会先检查instance 是否为null,如果不是则直接返回其内容,这样避免了进入synchronized 块所需要花费的资源。其次,即使第2节提到的情况发生了,两个线程同时进入了第一个if 判断,那么他们也必须按照顺序执行synchronized 块中的代码,第一个进入代码块的线程会创建一个新的Singleton 实例,而后续的线程则因为无法通过if 判断,而不会创建多余的实例。

上述描述似乎已经解决了我们面临的所有问题,但实际上,从JVM 的角度讲,这些代码仍然可能发生错误。对于JVM 而言,它执行的是一个个Java 指令。在Java 指令中创建对象和赋值操作是分开进行的,也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM 并不保证这两个操作的先后顺序,也就是说有可能JVM 会为新Singleton 实例分配空间,然后直接赋值给instance 成员,然后再去初始化这个Singleton 实例。这样就使出错成为了可能,我们仍然以A、B 两个线程为例:
1. A、B 线程同时进入了第一个if 判断
2. A 首先进入synchronized 块,由于instance 为null,所以它执行instance = new Singleton();
3. 由于JVM 内部的优化机制,JVM 先画出了一些分配给Singleton 实例的空白内存,并赋值给instance成员(注意此时JVM 没有开始初始化这个实例),然后A 离开了synchronized 块。
4. B 进入synchronized 块,由于instance 此时不是null,因此它马上离开了synchronized 块并将结果返回给调用该方法的程序。
5. 此时B 线程打算使用Singleton 实例,却发现它没有被初始化,于是错误发生了。
4 通过内部类实现多线程环境中的单例模式
为了实现延迟加载,并且不希望每次调用getInstance 时都必须互斥执行,最好并且最方便的解决办法如下:
Java 代码

public class Singleton {
	private Singleton() {

	}

	private static class SingletonContainer {
		private static Singleton instance = new Singleton();
	}

	public static Singleton getInstance() {
		return SingletonContainer.instance;
	}
}
JVM 内部的机制能够保证当一个类被加载的时候,这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance 的时候,JVM 能够帮我们保证instance 只被创建一次,并且会保证把赋值给instance 的内存初始化完毕,这样我们就不用担心3.2中的问题。此外该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制,这样就解决了3.1中的低效问题。最后instance 是在第一次加载SingletonContainer 类时被创建的,而SingletonContainer 类则在调用 getInstance 方法的时候才会被加载,因此也实现了延迟加载

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