单例模式的正确写法

2012-05-01

单例模式应该是最简单、最容易理解的设计模式了。即保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。单例模式在各种开源项目中经常见到，但是其中涉及到的知识点并不少，所以经常拿来当面试题来考。本文主要梳理一下常见单例模式的写法，以及其优缺点。

懒汉式，线程不安全

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton (){
    }
    public static Singleton getInstance() {
     if (instance == null) {
         instance = new Singleton();
     }
     return instance;
    }
}

这是单例模式最常见的写法了，首先构造方法私有化，防止外部直接new一个该类的实例，然后提供一个全局的访问入口方法，在该方法中检查、实例化该类。采用懒汉式，需要用到该类实例的时候才会new。但是这种实现最大的问题是不支持多线程，因为getInstance()方法没有加锁，所以当多个线程调用getInstance()方法时就会产生多个实例。

懒汉式，线程安全

为了解决上面的问题，最简单的方法是将整个getInstance()方法设为同步（synchronized）。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton (){
    }
    public static synchronized Singleton getInstance() {
     if (instance == null) {
         instance = new Singleton();
     }
     return instance;
    }
}

这种写法虽然做到了线程安全，并且解决了多实例的问题，能够在多线程中很好的工作，但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次创建单例实例对象时才被需要，创建之后getInstance()只是简单的返回成员变量，而这里是无需同步的。由于同步一个方法会降低100倍或更高的性能，代价太高。每次调用获取和释放锁的开销似乎是可以避免的：一旦初始化完成，获取和释放锁就显得很不必要。这就引出了双重检验锁。

双重校验锁

为了解决上面效率的问题，就引入了双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){
    }  
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { //Single Checked
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { //Double Checked
                    instance = new Singleton();
                }
            }  
        }  
        return instance;
    }
}

看代码第6行，判断如果当前类的实例instance为空，说明是首次创建，为了防止多线程问题，需要加同步锁进行创建。有很多人对第8行同步块内还要再检验一次实例是否null有些迷惑，其实很简单，考虑这种情况：当有两个线程同时走到第6行时，如果未创建实例，这两个线程会走到第7行，一个线程先获得锁，另一个等待，获得锁的线程在第9行会创建一个单例对象的实例，释放锁，另一个线程拿到锁后也进入同步块，如果没有第8行的再次检查，就会又创建一个对象。这下明白了吧！

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。

给 instance 分配内存
调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton instance;  
    private Singleton (){
    }  
    public static Singleton getSingleton() {  
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { //Single Checked
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { //Double Checked
                    instance = new Singleton();
                }
            }  
        }  
        return instance;
    }
}

有些人认为使用 volatile 的原因是可见性，也就是可以保证线程在本地不会存有 instance 的副本，每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子，取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。

但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式，当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

饿汉式

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton (){
    }
    public static Singleton getInstance(){
        return instace;
    }
}

这种方式是基于java的类加载机制，由于实例的成员变量被声明成了static，所以JVM在第一次加载类到内存中时就会初始化，保证了创建实例的线程安全。并且没有同步锁，所以效率是很高的。但是这种实现方式的一个缺点就是它不是一种懒加载模式（lazy initialization），单例会在加载类后一开始就被初始化，如果在Singleton构造方法中有一些比较耗时的操作，这种方式会比较浪费内存。

静态内部类

这种写法是《java 并发编程实战》《Effective Java》上面推荐的。

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){
    }  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE; 
    }  
}

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题。因为静态内部类只有在第一次被使用的时候才被会装载，只有显示通过调用 getInstance 方法时，才会显示装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的。同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。

枚举

1
2
3

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
}

这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。但是在android开发中，其实是不推崇使用枚举的，比较消耗内存。

总结

几种单例模式都有自己的优缺点，我们在写代码时选择哪一种完全决绝于自己的代码设计或者编码习惯，我一直认为设计代码是一件有舍有得的事情，要么就花费时间，节约内存。要么就节约点时间，浪费内存。要么就线程安全，效率低，要么就线程不安全，效率高。取舍都在于设计代码的人对于需求的考虑与衡量。

就我个人而言，在项目中用到单例模式的地方，我基本都是用静态内部类的方式。