單例模式的這些細(xì)節(jié)你都知道么？
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「丙丙」，作者丙丙 。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系丙丙公眾號(hào)。
從去年開始，Java程序員們換工作面試越來(lái)越難，不懂多線程，JVM，mysql，以及一些分布式的組件都不好意思出去面試。
也經(jīng)常聽到身邊的同學(xué)說(shuō)身邊誰(shuí)面試題目很簡(jiǎn)單，自己也會(huì)，但是真到自己的時(shí)候你能就一個(gè)知識(shí)點(diǎn)講的很透徹，并且能夠發(fā)散思考引出更多的答案嗎?
這道手寫一個(gè)單例模式的筆試題，應(yīng)該很多程序員老鐵都碰到過(guò)，剛看到題目的時(shí)候可能很驚喜，覺(jué)得自己運(yùn)氣真好，但是你真的能夠100%做好這道題嗎?
請(qǐng)手寫一個(gè)單例，要求線程安全。
首先給單例下一個(gè)定義：在當(dāng)前進(jìn)程中，通過(guò)單例模式創(chuàng)建的類有且只有一個(gè)實(shí)例。
單例有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
- 在Java應(yīng)用中，單例模式能保證在一個(gè)JVM中，該對(duì)象只有一個(gè)實(shí)例存在
- 構(gòu)造器必須是私有的，外部類無(wú)法通過(guò)調(diào)用構(gòu)造器方法創(chuàng)建該實(shí)例
- 沒(méi)有公開的set方法，外部類無(wú)法調(diào)用set方法創(chuàng)建該實(shí)例
- 提供一個(gè)公開的get方法獲取唯一的這個(gè)實(shí)例
那單例模式有什么好處呢?
某些類創(chuàng)建比較頻繁，對(duì)于一些大型的對(duì)象，這是一筆很大的系統(tǒng)開銷
省去了new操作符，降低了系統(tǒng)內(nèi)存的使用頻率，減輕GC壓力
系統(tǒng)中某些類，如spring里的controller，控制著處理流程，如果該類可以創(chuàng)建多個(gè)的話，系統(tǒng)完全亂了
好了，單例模式的定義也清楚了，好處也了解了，先看一個(gè)餓漢式的寫法
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- /**
- * 私有構(gòu)造方法，防止被實(shí)例化
- */
- private Singleton(){}
- /**
- * 靜態(tài)get方法
- */
- public static Singleton getInstance(){
- return instance;
- }
- }
如果面試時(shí)提供的是這個(gè)答案，那丙丙建議你先回家埋頭苦讀兩個(gè)月再出來(lái)找工作了，你肯定說(shuō)這個(gè)也太low了，一看就是線程不安全的，方法應(yīng)該通過(guò)synchronized給鎖起來(lái)，同時(shí)創(chuàng)建前先校驗(yàn)一下，改造后寫法如下：
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = null;
- /**
- * 私有構(gòu)造方法，防止被實(shí)例化
- */
- private Singleton(){}
- /**
- * 靜態(tài)get方法
- */
- public static synchronized Singleton getInstance(){
- if(instance == null){
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
- }
這是一種典型的時(shí)間換空間的寫法，不管三七二十一，每次創(chuàng)建實(shí)例時(shí)先鎖起來(lái)，再進(jìn)行判斷，嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的處理速度。
有沒(méi)有更好的處理方式呢?
有，通過(guò)雙檢鎖做兩次判斷，代碼如下：
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = null;
- private Singleton(){}
- public static Singleton getInstance(){
- //先檢查實(shí)例是否存在，如果不存在才進(jìn)入下面的同步塊
- if(instance == null){
- //同步塊，線程安全的創(chuàng)建實(shí)例
- synchronized (Singleton.class) {
- //再次檢查實(shí)例是否存在，如果不存在才真正的創(chuàng)建實(shí)例
- if(instance == null){
- instance = new Singleton();
- }
- }
- }
- return instance;
- }
- }
將synchronized關(guān)鍵字加在了內(nèi)部，也就是說(shuō)當(dāng)調(diào)用的時(shí)候是不需要加鎖的，只有在instance為null，并創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)候才需要加鎖，性能有一定的提升。
但是，這樣就沒(méi)有問(wèn)題了嗎?
看下面的情況：在Java指令中創(chuàng)建對(duì)象和賦值操作是分開進(jìn)行的，也就是說(shuō)instance = new Singleton();語(yǔ)句是分兩步執(zhí)行的。
但是JVM并不保證這兩個(gè)操作的先后順序，也就是說(shuō)有可能JVM會(huì)為新的Singleton實(shí)例分配空間，然后直接賦值給instance成員，然后再去初始化這個(gè)Singleton實(shí)例。
這樣就可能出錯(cuò)了，我們以A、B兩個(gè)線程為例：
- A、B線程同時(shí)進(jìn)入了第一個(gè)if判斷
- A首先進(jìn)入synchronized塊，由于instance為null，所以它執(zhí)行instance = new Singleton();
- 由于JVM內(nèi)部的優(yōu)化機(jī)制，JVM先畫出了一些分配給Singleton實(shí)例的空白內(nèi)存，并賦值給instance成員(注意此時(shí)JVM沒(méi)有開始初始化這個(gè)實(shí)例)，然后A離開了synchronized塊。
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- B進(jìn)入synchronized塊，由于instance此時(shí)不是null，因此它馬上離開了synchronized塊并將結(jié)果返回給調(diào)用該方法的程序。
- 此時(shí)B線程打算使用Singleton實(shí)例，卻發(fā)現(xiàn)它沒(méi)有被初始化，于是錯(cuò)誤發(fā)生了。
加上volatile修飾Singleton，再做一次優(yōu)化：
- public class Singleton {
- private volatile static Singleton instance = null;
- private Singleton(){}
- public static Singleton getInstance(){
- //先檢查實(shí)例是否存在，如果不存在才進(jìn)入下面的同步塊
- if(instance == null){
- //同步塊，線程安全的創(chuàng)建實(shí)例
- synchronized (Singleton.class) {
- //再次檢查實(shí)例是否存在，如果不存在才真正的創(chuàng)建實(shí)例
- if(instance == null){
- instance = new Singleton();
- }
- }
- }
- return instance;
- }
- }
**通過(guò)volatile修飾的變量，不會(huì)被線程本地緩存，所有線程對(duì)該對(duì)象的讀寫都會(huì)第一時(shí)間同步到主內(nèi)存，從而保證多個(gè)線程間該對(duì)象的準(zhǔn)確性 **
volatile的作用
防止指令重排序，因?yàn)閕nstance = new Singleton()不是原子操作
保證內(nèi)存可見
這個(gè)是比較完美的寫法了，這種方式能夠安全的創(chuàng)建唯一的一個(gè)實(shí)例，又不會(huì)對(duì)性能有太大的影響。
但是由于volatile關(guān)鍵字可能會(huì)屏蔽掉虛擬機(jī)中一些必要的代碼優(yōu)化，所以運(yùn)行效率并不是很高，還有更優(yōu)的寫法嗎?
通過(guò)靜態(tài)內(nèi)部類
- public class Singleton {
- /* 私有構(gòu)造方法，防止被實(shí)例化 */
- private Singleton() {
- }
- /* 此處使用一個(gè)內(nèi)部類來(lái)維護(hù)單例 */
- private static class SingletonFactory {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- }
- /* 獲取實(shí)例 */
- public static Singleton getInstance() {
- return SingletonFactory.instance;
- }
- /* 如果該對(duì)象被用于序列化，可以保證對(duì)象在序列化前后保持一致 */
- public Object readResolve() {
- return getInstance();
- }
- }
使用內(nèi)部類來(lái)維護(hù)單例的實(shí)現(xiàn)，JVM內(nèi)部的機(jī)制能夠保證當(dāng)一個(gè)類被加載的時(shí)候，這個(gè)類的加載過(guò)程是線程互斥的。
這樣當(dāng)我們第一次調(diào)用getInstance的時(shí)候，JVM能夠幫我們保證instance只被創(chuàng)建一次，并且會(huì)保證把賦值給instance的內(nèi)存初始化完畢， 這樣我們就不用擔(dān)心上面的問(wèn)題。
同時(shí)該方法也只會(huì)在第一次調(diào)用的時(shí)候使用互斥機(jī)制，這樣就解決了低性能問(wèn)題。這樣我們暫時(shí)總結(jié)一個(gè)完美的單例模式。
還有更完美的寫法嗎,通過(guò)枚舉：
- public enum Singleton {
- /**
- * 定義一個(gè)枚舉的元素，它就代表了Singleton的一個(gè)實(shí)例。
- */
- Instance;
- }
使用枚舉來(lái)實(shí)現(xiàn)單實(shí)例控制會(huì)更加簡(jiǎn)潔，而且JVM從根本上提供保障，絕對(duì)防止多次實(shí)例化，是更簡(jiǎn)潔、高效、安全的實(shí)現(xiàn)單例的方式。
