Java 单例真的写对了么?

单例模式是最简单的设计模式，实现也非常“简单”。一直以为我写没有问题，直到被 Coverity 打脸。

1. 暴露问题

前段时间，有段代码被 Coverity 警告了，简化一下代码如下，为了方便后面分析，我在这里标上了一些序号：

private static SettingsDbHelper sInst = null;  
public static SettingsDbHelper getInstance(Context context) {  
    if (sInst == null) {                              // 1
        synchronized (SettingsDbHelper.class) {       // 2
            SettingsDbHelper inst = sInst;            // 3
            if (inst == null) {                       // 4
                inst = new SettingsDbHelper(context); // 5
                sInst = inst;                         // 6
            }
        }
    }
    return sInst;                                     // 7
}

大家知道，这可是高大上的 Double Checked locking 模式，保证多线程安全，而且高性能的单例实现，比下面的单例实现，“逼格”不知道高到哪里去了：

private static SettingsDbHelper sInst = null;  
public static synchronized SettingsDbHelper getInstance(Context context) {  
    if (sInst == null) {
        sInst = new SettingsDbHelper(context);
    }
    return sInst;
}

你一个机器人竟敢警告我代码写的不对，我一度怀疑它不认识这种写法（后面将证明我是多么幼稚，啪。。。）。然后，它认真的给我分析这段代码为什么有问题，如下图所示：

2. 原因分析

Coverity 是静态代码分析工具，它会模拟其实际运行情况。例如这里，假设有两个线程进入到这段代码，其中红色的部分是运行的步骤解析，开头的标号表示其运行顺序。关于 Coverity 的详细文档可以参考这里，这里简单解析一下其运行情况如下：

1. 线程 1 运行到 1 处，第一次进入，这里肯定是为true的；
2. 线程 1 运行到 2 处，获得锁SettingsDbHelper.class；
3. 线程 1 运行到 3 和 4 处，赋值inst = sInst，这时 sInst 还是 null，所以继续往下运行，创建一个新的实例；
4. 线程 1 运行到 6 处，修改 sInst 的值。这一步非常关键，这里的解析是，因为这些修改可能因为和其他赋值操作运行被重新排序（Re-order），这就可能导致先修改了 sInst 的值，而new SettingsDbHelper(context)这个构造函数并没有执行完。而在这个时候，程序切换到线程 2；
5. 线程 2 运行到 1 处，因为第 4 步的时候，线程 1 已经给 sInst 赋值了，所以sInst == null的判断为false，线程 2 就直接返回 sInst 了，但是这个时候 sInst 并没有被初始化完成，直接使用它可能会导致程序崩溃。

上面解析得好像很清楚，但是关键在第 4 步，为什么会出现 Re-Order？赋值了，但没有初始化又是怎么回事？这是由于 Java 的内存模型决定的。问题主要出现在这 5 和 6 两行，这里的构造函数可能会被编译成内联的（inline），在 Java 虚拟机中运行的时候编译成执行指令以后，可以用如下的伪代码来表示：

inst = allocat()； // 分配内存  
sInst = inst;  
constructor(inst); // 真正执行构造函数

说到内存模型，这里就不小心触及了 Java 中比较复杂的内容——多线程编程和 Java 内存模型。在这里，我们可以简单的理解就是，构造函数可能会被分为两块：先分配内存并赋值，再初始化。关于 Java 内存模型（JMM）的详解，可以参考这个系列文章 《深入理解Java内存模型》，一共有 7 篇（一，二，三，四，五，六，七）。

3. 解决方案

上面的问题的解决方法是，在 Java 5 之后，引入扩展关键字volatile的功能，它能保证：

对volatile变量的写操作，不允许和它之前的读写操作打乱顺序；对volatile变量的读操作，不允许和它之后的读写乱序。

关于 volatile 关键字原理详解请参考上面的 深入理解内存模型（四）。

所以，上面的操作，只需要对 sInst 变量添加volatile关键字修饰即可。但是，我们知道，对 volatile 变量的读写操作是一个比较重的操作，所以上面的代码还可以优化一下，如下：

private static volatile SettingsDbHelper sInst = null;  // <<< 这里添加了 volatile  
public static SettingsDbHelper getInstance(Context context) {  
    SettingsDbHelper inst = sInst;  // <<< 在这里创建临时变量
    if (inst == null) {
        synchronized (SettingsDbHelper.class) {
            inst = sInst;
            if (inst == null) {
                inst = new SettingsDbHelper(context);
                sInst = inst;
            }
        }
    }
    return inst;  // <<< 注意这里返回的是临时变量
}

通过这样修改以后，在运行过程中，除了第一次以外，其他的调用只要访问 volatile 变量 sInst 一次，这样能提高 25% 的性能（Wikipedia）。

有读者提到，这里为什么需要再定义一个临时变量inst？通过前面的对 volatile 关键字作用解释可知，访问 volatile 变量，需要保证一些执行顺序，所以的开销比较大。这里定义一个临时变量，在sInst不为空的时候（这是绝大部分的情况），只要在开始访问一次 volatile 变量，返回的是临时变量。如果没有此临时变量，则需要访问两次，而降低了效率。

最后，关于单例模式，还有一个更有趣的实现，它能够延迟初始化（lazy initialization），并且多线程安全，还能保证高性能，如下：

class Foo {  
    private static class HelperHolder {
       public static final Helper helper = new Helper();
    }

    public static Helper getHelper() {
        return HelperHolder.helper;
    }
}

延迟初始化，这里是利用了 Java 的语言特性，内部类只有在使用的时候，才回去加载，从而初始化内部静态变量。关于线程安全，这是 Java 运行环境自动给你保证的，在加载的时候，会自动隐形的同步。在访问对象的时候，不需要同步 Java 虚拟机又会自动给你取消同步，所以效率非常高。

另外，关于 final 关键字的原理，请参考 深入理解Java内存模型（六）。

补充一下，有同学提醒有一种更加 Hack 的实现方式--单个成员的枚举，据称是最佳的单例实现方法，如下：

public enum Foo {  
    INSTANCE;
}

详情可以参考 这里。

4. 总结

在 Java 中，涉及到多线程编程，问题就会复杂很多，有些 Bug 甚至会超出你的想象。通过上面的介绍，开始对自己的代码运行情况都不那么自信了。其实大可不必这样担心，这种仅仅发生在多线程编程中，遇到有临界值访问的时候，直接使用 synchronized 关键字能够解决绝大部分的问题。

对于 Coverity，开始抱着敬畏知心，它是由一流的计算机科学家创建的。Coverity 作为一个程序，本身知道的东西比我们多得多，而且还比我认真，它指出的问题必须认真对待和分析。