單例模式 4 種經(jīng)典實現(xiàn)方法

0.前言

如果你去問一個寫過幾年代碼的程序員用過哪些設計模式，我打賭，90%以上的回答里面會帶【單例模式】。甚至有的面試官會直接問：說一下你用過哪些設計模式，單例就不用說了。你看，連面試官都聽煩了，火爆程度可見一斑。

不過，看似簡單的單例模式，里面蘊含了很多Java基礎，日常開發(fā)過程中課代表見過很多不規(guī)范的，甚至是有問題的單例實現(xiàn)。所以整理此文，總結一下單例模式的最佳實踐。

1、懶加載（懶漢）

所謂懶加載，就是直到第一次被調(diào)用時才加載。其實現(xiàn)需要考慮并發(fā)問題和指令重排，代碼如下：

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;
????}
}

這段代碼精簡至極，沒有一個字符是多余的，下面逐行解讀一下：

首先，注意到①處的volatile關鍵字，它具備兩項特性：

一是保證此變量對于所有線程的可見性。即當一條線程修改了這個變量的值，新值對于其他線程來說是可以立即得知的。

二是禁止指令重排序優(yōu)化。

這里解釋一下指令重排序優(yōu)化：

代碼 ⑤ 處的instance = new Singleton();并不是原子的，大體可分為如下 3 步：

1. 分配內(nèi)存
2. 調(diào)用構造函數(shù)初始化成實例
3. 讓instance指向分配的內(nèi)存空間

JVM 允許在保證結果正確的前提下進行指令重排序優(yōu)化。即如上 3 步可能的順序為1->2->3 或 1->3->2 。如果順序是 1->3->2 ，當 3 執(zhí)行完，2 還未執(zhí)行時，另一個線程執(zhí)行到代碼 ③ 處，發(fā)現(xiàn)instance不為null，直接返回還未初始化好的instance并使用，就會報錯。

所以使用volatile，就是為了保證線程間的可見性和防止指令重排。

其次，代碼②處將構造函數(shù)聲明為private目的在于阻止使用new Singleton()這樣的代碼生成新實例。

最后，當客戶端調(diào)用Singleton.getInstance()時，先檢查是否已經(jīng)實例化(代碼③)，未實例化時同步代碼塊，然后再次檢查是否已實例化(代碼④)，然后才執(zhí)行代碼⑤。兩次檢查的意義在于，防止synchronized同步過程中其他線程進行了實例化。

這就是著名的雙重檢查鎖(Double check lock)實現(xiàn)單例，也即懶加載。

TIPS:

網(wǎng)上也有直接對getInstance()方法加鎖的版本，這樣大范圍的方法級別加鎖會導致并發(fā)變低，實際上第一次調(diào)用生成實例之后，后續(xù)獲取實例根本不需要并發(fā)控制了。而本例的雙重檢查鎖版本可以避免此并發(fā)問題。

2、預加載（餓漢）

與懶加載相對應，預加載是在類加載時就已經(jīng)初始化好了，所以是天然線程安全的，代碼如下：

public?class?Singleton?{

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

注意到 ① 處的類變量使用了final。

這里用final更多的意義在于提供語法約束。畢竟你是單例，就只有這一個實例，不可能再指向另一個。instance有了final的約束，后面再有人不小心編寫了修改其指向的代碼就會報語法錯誤。

這就好比@Override注解，你能保證寫對方法名和參數(shù)，那不寫注解也沒問題，但是有了注解的約束，編譯器就會幫你檢查，還能防止別人亂改。

3、靜態(tài)內(nèi)部類

此方法和預加載原理相同，都是利用JVM類加載的特性實現(xiàn)天然的線程安全，不同之處在于，靜態(tài)內(nèi)部類做到了延遲加載。

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

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

SingletonHolder 是靜態(tài)內(nèi)部類，當外部類Singleton被加載的時候并不會創(chuàng)建任何實例，只有當Singleton.getInstance()被調(diào)用的時候，才會創(chuàng)建Singleton實例，這一切由 JVM 天然完成，所以既保證了線程安全，又實現(xiàn)了延遲加載。

4、枚舉

沒錯，枚舉可以實現(xiàn)單例，而且這種方式是《Effective Java中文版》第二版 中的推薦實現(xiàn)方式。代碼極其簡單：

public?enum?Singleton?{
????/**
?????*?單例實例
?????*/
????INSTANCE;

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

使用時直接Singleton.INSTANCE.doSomeThing();即可。

這里主要利用了枚舉的如下兩個特性：

• 枚舉的構造器總是私有的，所以不必像前幾種方式一樣顯式定義私有構造方法
• 枚舉類中的每個值，都是實例（只有INSTANCE這一個實例）

除此之外，枚舉還附帶了一些額外好處：無償?shù)靥峁┝诵蛄谢瘷C制，還可以防止通過多次反序列化生成多個實例。

鑒于此，單例的最佳實踐就是用枚舉來實現(xiàn)。

5、總結

事實上，單例的寫法并不止于本文所提的這 4 種，你可能還會看到很多其他變種，它們或多或少都存在一些缺陷，比如，懶加載方式將synchronized作用于整個方法上也能實現(xiàn)，但頻繁加鎖，釋放鎖會產(chǎn)生性能瓶頸，而完全去掉鎖又會帶來并發(fā)問題。

所以，只要吃透了文中列出的這 4 種單例方式，就能做到舉一反三，見到別人寫的單例也能一眼看出對錯。

文中所列的 4 種單例模式，除了枚舉之外，全都用到了static關鍵字，《Java 虛擬機規(guī)范》 規(guī)定，有幾種情況必須立即對類進行“初始化”，其中涉及static的場景如下：

讀取或設置一個類型的靜態(tài)字段（被 final 修飾、已在編譯期把結果放入常量池的靜態(tài)字段除外）的時候。

調(diào)用一個類型的靜態(tài)方法的時候。

懶加載，預加載和靜態(tài)內(nèi)部類正是利用了這兩點特性。

對static關鍵字遺忘的同學可以參看我的另一篇文章：《一題搞定static關鍵字》

最后，再次強調(diào)一下，如果大家開發(fā)中需要手寫單例，建議聽從 Joshua Bloch在《Effective Java中文版》第二版 中的建議：

單元素的枚舉類型已經(jīng)成為實現(xiàn) Singleton 的最佳方法

參考資料：

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

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

3、深入淺出單實例SINGLETON設計模式 （https://coolshell.cn/articles/265.html）

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