单例模式的几种写法

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JDK版本:oracle java 1.8.0_102

大体可分为4类,下面分别介绍他们的基本形式、变种及特点。

饱汉模式

饱汉是变种最多的单例模式。我们从饱汉出发,通过其变种逐渐了解实现单例模式时需要关注的问题。

基础的饱汉

饱汉,即已经吃饱,不着急再吃,饿的时候再吃。所以他就先不初始化单例,等第一次使用的时候再初始化,即“懒加载”。

// 饱汉  
// UnThreadSafe  
public class Singleton1 {  
  private static Singleton1 singleton = null;  
  private Singleton1() {  
  }  
  public static Singleton1 getInstance() {  
    if (singleton == null) {  
      singleton = new Singleton1();  
    }  
    return singleton;  
  }  
}

饱汉模式的核心就是懒加载。好处是更启动速度快、节省资源,一直到实例被第一次访问,才需要初始化单例;小坏处是写起来麻烦,大坏处是线程不安全,if语句存在竞态条件。

写起来麻烦不是大问题,可读性好啊。因此,单线程环境下,基础饱汉是笔者最喜欢的写法。但多线程环境下,基础饱汉就彻底不可用了。下面的几种变种都在试图解决基础饱汉线程不安全的问题。

饱汉 - 变种 1

最粗暴的方法是用synchronized关键字修饰getInstance()方法,这样能达到绝对的线程安全。

// 饱汉  
// ThreadSafe  
public class Singleton1_1 {  
  private static Singleton1_1 singleton = null;  
  private Singleton1_1() {  
  }  
  public synchronized static Singleton1_1 getInstance() {  
    if (singleton == null) {  
      singleton = new Singleton1_1();  
    }  
    return singleton;  
  }  
}

变种1的好处是写起来简单,且绝对线程安全;坏处是并发性能极差,事实上完全退化到了串行。单例只需要初始化一次,但就算初始化以后,synchronized的锁也无法避开,从而getInstance()完全变成了串行操作。性能不敏感的场景建议使用。

饱汉 - 变种 2

变种2是“臭名昭著”的DCL 1.0。

针对变种1中单例初始化后锁仍然无法避开的问题,变种2在变种1的外层又套了一层check,加上synchronized内层的check,即所谓“双重检查锁”(Double Check Lock,简称DCL)。

// 饱汉  
// UnThreadSafe  
public class Singleton1_2 {  
  private static Singleton1_2 singleton = null;  
  
  public int f1 = 1;   // 触发部分初始化问题  
  public int f2 = 2;  
  private Singleton1_2() {  
  }  
  public static Singleton1_2 getInstance() {  
    // may get half object  
    if (singleton == null) {  
      synchronized (Singleton1_2.class) {  
        if (singleton == null) {  
          singleton = new Singleton1_2();  
        }  
      }  
    }  
    return singleton;  
  }  
}

变种2的核心是DCL,看起来变种2似乎已经达到了理想的效果:懒加载+线程安全。可惜的是,正如注释中所说,DCL仍然是线程不安全的,由于指令重排序,你可能会得到“半个对象”,即”部分初始化“问题。详细在看完变种3后,可参考下面这篇文章,这里不再赘述。

饱汉 - 变种 3

变种3专门针对变种2,可谓DCL 2.0。

针对变种3的“半个对象”问题,变种3在instance上增加了volatile关键字,原理见上述参考。

// 饱汉  
// ThreadSafe  
public class Singleton1_3 {  
  private static volatile Singleton1_3 singleton = null;  
  
  public int f1 = 1;   // 触发部分初始化问题  
  public int f2 = 2;  
  private Singleton1_3() {  
  }  
  public static Singleton1_3 getInstance() {  
    if (singleton == null) {  
      synchronized (Singleton1_3.class) {  
        // must be a complete instance  
        if (singleton == null) {  
          singleton = new Singleton1_3();  
        }  
      }  
    }  
    return singleton;  
  }  
}

多线程环境下,变种3更适用于性能敏感的场景。但后面我们将了解到,就算是线程安全的,还有一些办法能破坏单例。

当然,还有很多方式,能通过与volatile类似的方式防止部分初始化。

饿汉模式

与饱汉相对,饿汉很饿,只想着尽早吃到。所以他就在最早的时机,即类加载时初始化单例,以后访问时直接返回即可。

// 饿汉  
// ThreadSafe  
public class Singleton2 {  
  private static final Singleton2 singleton = new Singleton2();  
  private Singleton2() {  
  }  
  public static Singleton2 getInstance() {  
    return singleton;  
  }  
}

饿汉的好处是天生的线程安全(得益于类加载机制),写起来超级简单,使用时没有延迟;坏处是有可能造成资源浪费(如果类加载后就一直不使用单例的话)。

值得注意的是,单线程环境下,饿汉与饱汉在性能上没什么差别;但多线程环境下,由于饱汉需要加锁,饿汉的性能反而更优。

Holder模式

我们既希望利用饿汉模式中静态变量的方便和线程安全;又希望通过懒加载规避资源浪费。Holder模式满足了这两点要求:核心仍然是静态变量,足够方便和线程安全;通过静态的Holder类持有真正实例,间接实现了懒加载。

// Holder模式  
// ThreadSafe  
public class Singleton3 {  
    private static class SingletonHolder {  
      private static final Singleton3 singleton = new Singleton3();  
      private SingletonHolder() {}  
    }
    private Singleton3() {}  
  
    public static Singleton3 getInstance() {  
      return SingletonHolder.singleton;  
  }  
}

相对于饿汉模式,Holder模式仅增加了一个静态内部类的成本,与饱汉的变种3效果相当(略优),都是比较受欢迎的实现方式。同样建议考虑。

枚举模式

用枚举实现单例模式,相当好用,但可读性是不存在的。

基础的枚举

将枚举的静态成员变量作为单例的实例:

// 枚举  
// ThreadSafe  
public enum Singleton4 {  
  SINGLETON;  
}

代码量比饿汉模式更少。但用户只能直接访问实例Singleton4.SINGLETON——事实上,这样的访问方式作为单例使用也是恰当的,只是牺牲了静态工厂方法的优点,如无法实现懒加载。

Java的枚举是一个“丑陋但好用的语法糖”。

枚举型单例模式的本质

通过反编译打开语法糖,就看到了枚举类型的本质,简化如下:

// 枚举  
// ThreadSafe  
public class Singleton4 extends Enum<Singleton4> {  
  ...  
  public static final Singleton4 SINGLETON = new Singleton4();  
  ...  
}

总结

上面的分析都忽略了反射和序列化的问题。通过反射或序列化,我们仍然能够访问到私有构造器,创建新的实例破坏单例模式。此时,只有枚举模式能天然防范这一问题。反射和序列化笔者还不太了解,但基本原理并不难,可以在其他模式上手动实现。

下面继续忽略反射和序列化的问题,做个总结回味一下:

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