0.前言

如果你去问一个写过几年代码的程序员用过哪些设计模式,我打赌,90%以上的回答里面会带【单例模式】。甚至有的面试官会直接问:说一下你用过哪些设计模式,单例就不用说了。你看,连面试官都听烦了,火爆程度可见一斑。

不过,看似简单的单例模式,里面蕴含了很多Java基础,日常开发过程中课代表见过很多不规范的,甚至是有问题的单例实现。所以整理此文,总结一下单例模式的最佳实践。

1、懒加载(懒汉)

所谓懒加载,就是直到第一次被调用时才加载。其实现时需要考虑并发问题和指令重排,代码如下:

public class Singleton {

    private volatile static Singleton instance; //①

    private Singleton() { //②
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {//③
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {//④
                    instance = new Singleton();//⑤
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这段代码精简至极,没有一个字符是多余的,下面逐行解读一下:

首先,注意到①处的volatile关键字,它具备两项特性:

一是保证此变量对于所有线程的可见性。即当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以立即得知的。

二是禁止指令重排序优化。

这里解释一下指令重排序优化:

代码 ⑤ 处的instance = new Singleton();并不是原子的,大体可分为如下 3 步:

  1. 分配内存
  2. 调用构造函数初始化成实例
  3. instance指向分配的内存空间

JVM 允许在保证结果正确的前提下进行指令重排序优化。即如上 3 步可能的顺序为1->2->3 或 1->3->2 。如果顺序是 1->3->2 ,当 3 执行完,2 还未执行时,另一个线程执行到代码 ③ 处,发现instance不为null,直接返回还未初始化好的instance并使用,就会报错。

所以使用volatile,就是为了保证线程间的可见性和防止指令重排。

其次,代码②处将构造函数声明为private目的在于阻止使用new Singleton()这样的代码生成新实例。

最后,当客户端调用Singleton.getInstance()时,先检查是否已经实例化(代码③),未实例化时同步代码块,然后再次检查是否已实例化(代码④),然后才执行代码⑤。两次检查的意义在于,防止synchronized同步过程中其他线程进行了实例化。

这就是著名的双重检查锁(Double check lock)实现单例,也即懒加载。

TIPS:

网上也有直接对getInstance()方法加锁的版本,这样大范围的方法级别加锁会导致并发变低,实际上第一次调用生成实例之后,后续获取实例根本不需要并发控制了。而本例的双重检查锁版本可以避免此并发问题。

2、预加载(饿汉)

与懒加载相对应,预加载是在类加载时就已经初始化好了,所以是天然线程安全的,代码如下:

public class Singleton {

    private static final Singleton instance = new Singleton();// ①
    
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

注意到 ① 处的类变量使用了final

这里用final更多的意义在于提供语法约束。毕竟你是单例,就只有这一个实例,不可能再指向另一个。instance有了final的约束,后面再有人不小心编写了修改其指向的代码就会报语法错误。

这就好比@Override注解,你能保证写对方法名和参数,那不写注解也没问题,但是有了注解的约束,编译器就会帮你检查,还能防止别人乱改。

3、静态内部类

此方法和预加载原理相同,都是利用JVM类加载的特性实现天然的线程安全,不同之处在于,静态内部类做到了延迟加载。

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

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

SingletonHolder 是静态内部类,当外部类Singleton被加载的时候并不会创建任何实例,只有当Singleton.getInstance()被调用的时候,才会创建Singleton实例,这一切由 JVM 天然完成,所以既保证了线程安全,又实现了延迟加载。

4、枚举

没错,枚举可以实现单例,而且这种方式是《Effective Java中文版》第二版 中的推荐实现方式。代码极其简单:

public enum Singleton {
    /**
     * 单例实例
     */
    INSTANCE;

    public void doSomeThing(){
        System.out.println("done");
    }
}

使用时直接Singleton.INSTANCE.doSomeThing();即可。

这里主要利用了枚举的如下两个特性:

  • 枚举的构造器总是私有的,所以不必像前几种方式一样显式定义私有构造方法
  • 枚举类中的每个值,都是实例(只有INSTANCE这一个实例)

除此之外,枚举还附带了一些额外好处:无偿地提供了序列化机制,还可以防止通过多次反序列化生成多个实例。

鉴于此,单例的最佳实践就是用枚举来实现。

5、总结

事实上,单例的写法并不止于本文所提的这 4 种,你可能还会看到很多其他变种,它们或多或少都存在一些缺陷,比如,懒加载方式将synchronized作用于整个方法上也能实现,但频繁加锁,释放锁会产生性能瓶颈,而完全去掉锁又会带来并发问题。

所以,只要吃透了文中列出的这 4 种单例方式,就能做到举一反三,见到别人写的单例也能一眼看出对错。

文中所列的 4 种单例模式,除了枚举之外,全都用到了static关键字,《Java 虚拟机规范》 规定,有几种情况必须立即对类进行“初始化”,其中涉及static的场景如下:

读取或设置一个类型的静态字段(被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)的时候。

调用一个类型的静态方法的时候。

懒加载,预加载和静态内部类正是利用了这两点特性。

static关键字遗忘的同学可以参看我的另一篇文章:《一题搞定static关键字》

最后,再次强调一下,如果大家开发中需要手写单例,建议听从 Joshua Bloch在《Effective Java中文版》第二版 中的建议:

单元素的枚举类型已经成为实现 Singleton 的最佳方法

参考资料:

1、《Effective Java中文版》 Joshua Bloch 第二版 P15

2、《深入理解 Java 虚拟机》 周志明 第3版,P444-P448,P264

3、深入浅出单实例SINGLETON设计模式