單例模式，關(guān)鍵字級別詳解
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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(shè)計(jì)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(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：
一是保證此變量對于所有線程的可見性。即當(dāng)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：
- 分配內(nèi)存
- 調(diào)用構(gòu)造函數(shù)初始化成實(shí)例
- 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，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(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，先檢查是否已經(jīng)實(shí)例化(代碼③)，未實(shí)例化時同步代碼塊，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getInstance()方法加鎖的版本，這樣大范圍的方法級別加鎖會導(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)
與懶加載相對應(yīng)，預(yù)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(shí)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(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被加載的時候并不會創(chuàng)建任何實(shí)例，只有當(dāng)Singleton.getInstance()被調(diào)用的時候，才會創(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，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(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
- 枚舉類中的每個值，都是實(shí)例(只有INSTANCE這一個實(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(shí)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(guān)鍵字，《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》 規(guī)定，有幾種情況必須立即對類進(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)的時候。
調(diào)用一個類型的靜態(tài)方法的時候。
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)
