(转) 设计模式——小单例有大秘密

 

单例模式大家并不陌生，也都知道它分为什么懒汉式、饿汉式之类的。但是你对单例模式的理解足够透彻吗？今天我带大家一起来看看我眼中的单例，可能会跟你的认识有所不同。

下面是一个简单的小实例：

//简单懒汉式
public class Singleton {

    //单例实例变量
    private static Singleton instance = null;

    //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
    private Singleton() {}

    //获取单例对象实例
    public static Singleton getInstance() {

        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }

        System.out.println("我是简单懒汉式单例！");
        return instance;
    }
}

很容易看出，上面这段代码在多线程的情况下是不安全的，当两个线程进入if (instance == null)时，两个线程都判断instance为空，接下来就会得到两个实例了。这不是我们想要的单例。

 

接下来我们用加锁的方式来实现互斥，从而保证单例的实现。

//同步法懒汉式
public class Singleton {

    //单例实例变量
    private static Singleton instance = null;

    //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
    private Singleton() {}

    //获取单例对象实例
    public static synchronized  Singleton getInstance() {

        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }

        System.out.println("我是同步法懒汉式单例！");
        return instance;
    }
}

加上synchronized 后确实保证了线程安全，但是这样就是最好的方法吗？很显然它不是，因为这样一来每次调用getInstance()方法是都会被加锁，而我们只需要在第一 次调用getInstance()的时候加锁就可以了。这显然影响了我们程序的性能。我们继续寻找更好的方法。

 

经过分析发现，只需要保证instance = new Singleton()是线程互斥就可以保证线程安全，所以就有了下面这个版本：

//双重锁定懒汉式
public class Singleton {

    //单例实例变量
    private static Singleton instance = null;

    //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
    private Singleton() {}

    //获取单例对象实例
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        System.out.println("我是双重锁定懒汉式单例！");
        return instance;
    }
}

这次看起来既解决了线程安全问题，又不至于每次调用getInstance()都会加锁导致降低性能。看起来是一个完美的解决方案，事实上是这样的吗？

很遗憾，事实并非我们想 的那么完美。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 Singleton(); 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。下面我们一起来分析一下：

 

假设有两个线程A、B

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 Singleton(); 把实例变量instance设置成了非空。（注意，是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Singleton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。 

 

难道就没有一个好方法了吗？好的方法肯定是有的，我们继续探索！

//解决无序写问题懒汉式
public class Singleton {

    //单例实例变量
    private static Singleton instance = null;

    //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
    private Singleton() {}

    //获取单例对象实例
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {                  //1
                Singleton temp = instance;                //2
                if (temp == null) {
                    synchronized (Singleton.class) {  //3
                        temp = new Singleton();   //4
                    }
                    instance = temp;                  //5
                }
            }
        }
        System.out.println("我是解决无序写懒汉式单例！");
        return instance;
    }
}

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。（后来想想这个锁有点多余）

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、如果线程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。

 

到此为止，上面的问题我们是解决了，但是我们突然发现为了解决线程安全问题，但给人的感觉就像身上缠了很多毛线.... 乱糟糟的，所以我们要精简一下：

//饿汉式
public class Singleton {

    //单例变量 ,static的，在类加载时进行初始化一次，保证线程安全
    private static Singleton instance = new Singleton();

    //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。
    private Singleton() {}

    //获取单例对象实例
    public static Singleton getInstance() {
        System.out.println("我是饿汉式单例！");
        return instance;
    }
}

看到上面的代码，瞬间觉得这个世界清静了。不过这种方式采用的是饿汉式的方法，就是预先声明Singleton对象，这样带来的一个缺点就是：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。

 

到底有没有完美的方法呢？继续看：

//内部类实现懒汉式
public class Singleton {

    private static class SingletonHolder{
        //单例变量
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }

    //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。
    private Singleton() {

    }

    //获取单例对象实例
    public static Singleton getInstance() {
        System.out.println("我是内部类单例！");
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

懒汉式（避免上面的资源 浪费）、线程安全、代码简单。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。

 

简单说一下上面提到的无序写，这是jvm的特性，比如声明两个变量，String a; String b; jvm可能先加载a也可能先加载b。同理，instance = new Singleton();可能在调用Singleton的构造函数之前就把instance置成了非空。这是很多人会有疑问，说还没有实例化出 Singleton的一个对象，那么instance怎么就变成非空了呢？它的值现在是什么呢？想了解这个问题就要明白instance = new Singleton();这句话是怎么执行的，下面用一段伪代码向大家解释一下：

mem = allocate();             //为Singleton对象分配内存。
instance = mem;               //注意现在instance是非空的，但是还没有被初始化。

ctorSingleton(instance);    //调用Singleton的构造函数，传递instance.

 

由此可见当一个线程执行 到instance = mem; 时instance已为非空，如果此时另一个线程进入程序判断instance为非空，那么直接就跳转到return instance;而此时Singleton的构造方法还未调用instance，现在的值为allocate();返回的内存对象。所以第二个线程得到 的不是Singleton的一个对象，而是一个内存对象。

 

以上就是就是我对单例模式的一点小小的思考跟理解，热烈欢迎各位大神前来指导批评。