單例模式，關(guān)鍵字級(jí)別詳解

0.前言

如果你去問一個(gè)寫過幾年代碼的程序員用過哪些設(shè)計(jì)模式，我打賭，90%以上的回答里面會(huì)帶【單例模式】。甚至有的面試官會(huì)直接問：說一下你用過哪些設(shè)計(jì)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(yùn)含了很多Java基礎(chǔ)，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(shí)現(xiàn)。所以整理此文，總結(jié)一下單例模式的最佳實(shí)踐。

1、懶加載（懶漢）

所謂懶加載，就是直到第一次被調(diào)用時(shí)才加載。其實(shí)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(gè)字符是多余的，下面逐行解讀一下：

首先，注意到①處的volatile關(guān)鍵字，它具備兩項(xiàng)特性：

一是保證此變量對(duì)于所有線程的可見性。即當(dāng)一條線程修改了這個(gè)變量的值，新值對(duì)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(gòu)造函數(shù)初始化成實(shí)例
3. 讓instance指向分配的內(nèi)存空間

JVM 允許在保證結(jié)果正確的前提下進(jìn)行指令重排序優(yōu)化。即如上 3 步可能的順序?yàn)?->2->3 或 1->3->2 。如果順序是 1->3->2 ，當(dāng) 3 執(zhí)行完，2 還未執(zhí)行時(shí)，另一個(gè)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(huì)報(bào)錯(cuò)。

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(gòu)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(shí)例。

最后，當(dāng)客戶端調(diào)用Singleton.getInstance()時(shí)，先檢查是否已經(jīng)實(shí)例化(代碼③)，未實(shí)例化時(shí)同步代碼塊，然后再次檢查是否已實(shí)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(jìn)行了實(shí)例化。

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

TIPS:

網(wǎng)上也有直接對(duì)getInstance()方法加鎖的版本，這樣大范圍的方法級(jí)別加鎖會(huì)導(dǎo)致并發(fā)變低，實(shí)際上第一次調(diào)用生成實(shí)例之后，后續(xù)獲取實(shí)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(yù)加載（餓漢）

與懶加載相對(duì)應(yīng)，預(yù)加載是在類加載時(shí)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(gè)實(shí)例，不可能再指向另一個(gè)。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(huì)報(bào)語法錯(cuò)誤。

這就好比@Override注解，你能保證寫對(duì)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(huì)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(yù)加載原理相同，都是利用JVM類加載的特性實(shí)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(dāng)外部類Singleton被加載的時(shí)候并不會(huì)創(chuàng)建任何實(shí)例，只有當(dāng)Singleton.getInstance()被調(diào)用的時(shí)候，才會(huì)創(chuàng)建Singleton實(shí)例，這一切由 JVM 天然完成，所以既保證了線程安全，又實(shí)現(xiàn)了延遲加載。

4、枚舉

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

public enum Singleton {
    /**
     * 單例實(shí)例
     */
    INSTANCE;

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

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

這里主要利用了枚舉的如下兩個(gè)特性：

• 枚舉的構(gòu)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(gòu)造方法
• 枚舉類中的每個(gè)值，都是實(shí)例（只有INSTANCE這一個(gè)實(shí)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(jī)制，還可以防止通過多次反序列化生成多個(gè)實(shí)例。

鑒于此，單例的最佳實(shí)踐就是用枚舉來實(shí)現(xiàn)。

5、總結(jié)

事實(shí)上，單例的寫法并不止于本文所提的這 4 種，你可能還會(huì)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(gè)方法上也能實(shí)現(xiàn)，但頻繁加鎖，釋放鎖會(huì)產(chǎn)生性能瓶頸，而完全去掉鎖又會(huì)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(duì)錯(cuò)。

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

讀取或設(shè)置一個(gè)類型的靜態(tài)字段（被 final 修飾、已在編譯期把結(jié)果放入常量池的靜態(tài)字段除外）的時(shí)候。

調(diào)用一個(gè)類型的靜態(tài)方法的時(shí)候。

懶加載，預(yù)加載和靜態(tài)內(nèi)部類正是利用了這兩點(diǎn)特性。

對(duì)static關(guān)鍵字遺忘的同學(xué)可以參看我的另一篇文章：《一題搞定static關(guān)鍵字》

最后，再次強(qiáng)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(shí)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(jī)》 周志明 第3版，P444-P448，P264

3、深入淺出單實(shí)例SINGLETON設(shè)計(jì)模式 （https://coolshell.cn/articles/265.html）

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