在介绍单例模式之前,我们先了解一下,什么是设计模式?
设计模式(Design Pattern):是一套被反复使用,多数人知晓的,经过分类编目的,代码设计经验的总结。
目的:使用设计模式是为了可重用性代码,让代码更容易被他人理解,保证代码可靠性。

本文将会用到的关键词:

  • 单例:Singleton
  • 实例:instance
  • 同步:synchronized
  • 类装载器:ClassLoader

什么是单例模式

单例设计模式( Singleton Design Pattern)理解起来非常简单。一个类只允许创建个对象(或者实例),那这个类就是一个单例类,这种设计模式就叫作单例设计模式,简称单例模式。

单例模式共分为两大类:

  • 懒汉模式:实例在第一次使用时创建
  • 饿汉模式:实例在类装载时创建

为什么要使用单例?

站在业务概念的角度,有些数据在系统中只应该保存一份,就比较适合设计为单例类。比如,系统的配置信息类、连接池类、ID生成器类。除此之外,我们还可以使用单例解决资源访问冲突的问题。

单例存在哪些问题?

大部分情况下,我们在项目中使用单例,都是用它来表示一些全局唯一类,比如配置信息类、连接池类、ID生成器类。单例模式书写简洁、使用方便,在代码中,我们不需要创建对象,直接通过类似 IdGenerator.getInstance() 这样的方法来调用就可以了。但是,这种使用方法有点类似硬编码(hard code),会带来诸多问题。

单例类对OOP(面向对象)特性的支持不友好

我们知道,OOP的四大特性是封装、抽象、继承、多态。单例这种设计模式对于其中的抽象、继承、多态都支持得不好。

以 IdGenerator 为例,IdGenerator 的使用方式违背了基于接口而非实现的设计原则,也就违背了广义上理解的OOP的抽象特性。如果未来某一天,我们希望针对不同的业务采用不同的ID生成算法。比如,订单ID和用户ID采用不同的ID生成器来生成。为了应对这个需求变化,我们需要修改所有用到 GeNerator类的地方,这样代码的改动就会比较大。

除此之外,单例对继承、多态特性的支持也不友好。这里我之所以会用“不友好”这个词,而非“完全不支持”,是因为从理论上来讲,单例类也可以被继承、也可以实现多态,只是实现起来会非常奇怪,会导致代码的可读性变差。不明白设计意图的人,看到这样的设计,会觉得莫名其妙。所以,一旦你选择将某个类设计成到单例类,也就意味着放弃了继承和多态这两个强有力的面向对象特性,也就相当于损失了可以应对未来需求变化的扩展性。

单例类会隐藏类之间的依赖关系

我们知道,代码的可读性非常重要。在阅读代码的时候,我们希望一眼就能看出类与类之间的依赖关系,搞清楚这个类依赖了哪些外部类。

通过构造函数、参数传递等方式声明的类之间的依赖关系,我们通过查看函数的定义,就能很容易识别出来。但是,单例类不需要显示创建、不需要依赖参数传递,在函数中直接调用就可以了。如果代码比较复杂,这种调用关系就会非常隐蔽。在阅读代码的时候,我们就需要仔细查看每个函数的代码实现,才能知道这个类到底依赖了哪些单例类。

单例类对代码的扩展性不友好

单例类只有一个对象实例,如果未来某一天,我们需要在代码中创建两个实例或多个实例,那就要对代码有比较大的改动。

以数据库连接池为例,在系统设计初期,我们觉得系统中只应该有一个数据库连接池,这样能方便我们控制对数据库连接资源的消耗。所以,我们把数据库连接池类设计成了单例类。但之后我们发现,系统中有些SQL语句运行得非常慢。这些SQL语句在执行的时候,长时间占用数据库连接资源,导致其他SQL请求无法响应。为了解决这个问题,我们希望将慢SQL与其他SQL隔离开来执行。为了实现这样的目的,我们可以在系统中创建两个数据库连接池,慢SQL独享—个数据库连接池,其他SQL独享另外—个数据库连接池,这样就能避免慢SQL影响到其他SQL的执行。

如果我们将数据库连接池设计成单例类,显然就无法适应这样的需求变更,也就是说,单例类在某些情况下会影响代码的扩展性、灵活性。所以,数据库连接池、线程池这类的资源池,最好还是不要设计成单例类。实际上,一些开源的数据库连接池、线程池也确实没有设计成单例类。

单例对代码的可测试性不友好

单例模式的使用会影响到代码的可测试性。如果单例类依赖比较重的外部资源,比如DB,我们在写单元测试的时候,希望能通过mock的方式将它替换掉。而单例类这种硬编码式的使用方式,导致无法实现mock替换

除此之外,如果单例类持有成员变量(比如 GeNerator中的id成员变量),那它实际上相当于一种全局变量,被所有的代码共享。如果这个全局变量是一个可变全局变量,也就是说,它的成员变量是可以被修改的,那我们在编写单元测试的时候,还需要注意不同测试用例之间,修改了单例类中的同一个成员变量的值,从而导致测试结果互相影响的问题。

单例不支持有参数的构造函数

单例不支持有参数的构造函数,比如我们创建一个连接池的单例对象,我们没法通过参数来指定连接池的大小。针对这个问题,我们来看下都有哪些解决方案。

  • 创建完实例之后,在调用init函数传递参数。
  • 将参数放到 getInstance()方法中。
  • 将参数放到另外一个全局变量中。

有何替代的解决方案?

为了保证全局唯一,除了使用单例,我们还可以用静态方法来实现

这也是项目开发中经常用到的一种实现思路。不过,静态方法这种实现思路,并不能解决我们之前提到的问题。如果要完全解决这些问题,我们可能要从根上,寻找其他方式来实现全局唯一类了。比如,通过工厂模式、IOC容器(比如 Spring IOC容器)来保证,由过程序员自己来保证(自己在编写代码的时候自己保证不要创建两个类对象)。

有人把单例当作反模式,主张杜绝在项目中使用。我个人觉得这有点极端。模式没有对错,关键看你怎么用。如果单例类并没有后续扩展的需求,并且不依赖外部系统,那设计成单例类就没有太大问题。对于一些全局的类,我们在其他地方new的话,还要在类之间传来传去,不如直接做成单例类,使用起来简洁方便。

单例与静态类的区别?

  1. 静态类比单例模式的效率更高,因为静态方法在编译期就完成了静态绑定。
  2. 单例对象可以被延迟初始化。而静态类总是在类被加载的时候就初始化。
  3. 在做单元测试的时候,静态类比单例类更难被 mock,因此也更难被测试。而单例类很容易被 mock 来执行单元测试。
  4. Java 中的静态方法是不能被覆写的,这就导致某些情况不够灵活。而你随时可以继承一个非 final 的单例类来覆写其中的方法。

具体实现

饿汉模式

按照定义我们可以写出一个基本代码:

public class Singleton {

    // 使用private将构造方法私有化,以防外界通过该构造方法创建多个实例
    private Singleton() {
    }

    // 由于不能使用构造方法创建实例,所以需要在类的内部创建该类的唯一实例
    // 使用static修饰singleton 在外界可以通过类名调用该实例   类名.成员名
    final static Singleton singleton = new Singleton();   // 1

    // 如果使用private封装该实例,则需要添加get方法实现对外界的开放
    private static final Singleton instance = new Singleton();    // 2
    // 添加static,将该方法变成类所有通过类名访问
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }

    //1和2选一种即可,推荐2
}

对于饿汉模式来说,这种写法已经很完美了,唯一的缺点就是,由于instance的初始化是在类加载时进行的,类加载是由ClassLoader来实现的,如果初始化太早,就会造成资源浪费。

当然,如果所需的单例占用的资源很少,并且也不依赖于其他数据,那么这种实现方式也是很好的。

类装载的时机:

  • new一个对象时
  • 使用反射创建它的实例时
  • 子类被加载时,如果父类还没有加载,就先加载父类
  • JVM启动时执行主类 会先被加载

懒汉模式

懒汉模式的代码如下

// 代码一
public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton(){
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton(); 
        }        
        return instance; 
   }
}

每次获取instance之前先进行判断,如果instance为空就new一个出来,否则就直接返回已存在的instance。

这种写法在单线程的时候是没问题的。但是,当有多个线程一起工作的时候,如果有两个线程同时运行到 if (instance == null),都判断为null(第一个线程判断为空之后,并没有继续向下执行,当第二个线程判断的时候instance依然为空),最终两个线程就各自会创建一个实例出来。这样就破环了单例模式 实例的唯一性

要想保证实例的唯一性就需要使用 synchronized 加上一个同步锁

// 代码二
public class Singleton {
  private static Singleton instance = null;
  private Singleton() {}

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

加上synchronized关键字之后,getInstance方法就会锁上了。如果有两个线程(T1、T2)同时执行到这个方法时,会有其中一个线程T1获得同步锁,得以继续执行,而另一个线程T2则需要等待,当第T1执行完毕getInstance之后(完成了null判断、对象创建、获得返回值之后),T2线程才会执行执行。

所以这段代码也就避免了代码一中,可能出现因为多线程导致多个实例的情况。但是,这种写法也有一个问题:给getInstance方法加锁,虽然避免了可能会出现的多个实例问题,但是会强制除T1之外的所有线程等待,实际上会对程序的执行效率造成负面影响。

双重检查(Double-Check)

代码二相对于代码一的效率问题,其实是为了解决1%几率的问题,而使用了一个100%出现的防护盾。那有一个优化的思路,就是把100%出现的防护盾,也改为1%的几率出现,使之只出现在可能会导致多个实例出现的地方。

代码如下:

// 代码三
public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton() {}

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

这段代码看起来有点复杂,注意其中有两次if(instance==null)的判断,这个叫做 双重检查 Double-Check

  • 第一个 if(instance==null),其实是为了解决代码二中的效率问题,只有instance为null的时候,才进入synchronized的代码段大大减少了几率。
  • 第二个if(instance==null),则是跟代码二一样,是为了防止可能出现多个实例的情况。

这段代码看起来已经完美无瑕了。当然,只是『看起来』,还是有小概率出现问题的。想要充分理解需要先弄清楚以下几个概念:原子操作、指令重排。

原子操作
简单来说,原子操作(atomic)就是不可分割的操作,在计算机中,就是指不会因为线程调度被打断的操作。比如,简单的赋值是一个原子操作:

m = 6; // 这是个原子操作

假如m原先的值为0,那么对于这个操作,要么执行成功m变成了6,要么是没执行 m还是0,而不会出现诸如m=3这种中间态——即使是在并发的线程中。

但是,声明并赋值就不是一个原子操作:

int  n=6;//这不是一个原子操作

对于这个语句,至少有两个操作:①声明一个变量n ②给n赋值为6——这样就会有一个中间状态:变量n已经被声明了但是还没有被赋值的状态。这样,在多线程中,由于线程执行顺序的不确定性,如果两个线程都使用m,就可能会导致不稳定的结果出现。

指令重排
简单来说,就是计算机为了提高执行效率,会做的一些优化,在不影响最终结果的情况下,可能会对一些语句的执行顺序进行调整。比如,这一段代码:

int a ;   // 语句1 
a = 8 ;   // 语句2
int b = 9 ;     // 语句3
int c = a + b ; // 语句4

正常来说,对于顺序结构,执行的顺序是自上到下,也即1234。但是,由于指令重排的原因,因为不影响最终的结果,所以,实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。

由于语句3和4没有原子性的问题,语句3和语句4也可能会拆分成原子操作,再重排。——也就是说,对于非原子性的操作,在不影响最终结果的情况下,其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。

OK,了解了原子操作和指令重排的概念之后,我们再继续看代码三的问题。

主要在于singleton = 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。

  1. 给 singleton 分配内存
  2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量,形成实例
  3. 将singleton对象指向分配的内存空间(执行完这步 singleton才是非 null了)

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。
  
再稍微解释一下,就是说,由于有一个『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态,而这个时候,如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance ==null)这里,这里读取到的instance已经不为null了,所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了,就会产生问题。这里的关键在于线程T1对instance的写操作没有完成,线程T2就执行了读操作。
  
对于代码三出现的问题,解决方案为:给instance的声明加上volatile关键字
代码如下:

public class Singleton {
  private static volatile Singleton instance = null;
  private Singleton() {}

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

volatile关键字的一个作用是禁止指令重排,把instance声明为volatile之后,对它的写操作就会有一个内存屏障,这样,在它的赋值完成之前,就不用会调用读操作。

注意:volatile阻止的不是singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排,而是保证了在一个写操作([1-2-3])完成之前,不会调用读操作(if (instance == null))。

静态内部类

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

这种写法的巧妙之处在于:对于内部类SingletonHolder,它是一个饿汉式的单例实现,在SingletonHolder初始化的时候会由ClassLoader来保证同步,使INSTANCE是一个真单例。

同时,由于SingletonHolder是一个内部类,只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用,所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。
  
它利用了ClassLoader来保证了同步,同时又能让开发者控制类加载的时机。从内部看是一个饿汉式的单例,但是从外部看来,又的确是懒汉式的实现

枚举

public class Singleton {
    // 枚举类型是线程安全的,并且只会装载一次
    private enum SingletonEnum {
        INSTANCE;
        // 声明单例对象
        private final Singleton instance;
        // 实例化
        SingletonEnum() {
            instance = new Singleton();
        }

        private Singleton getInstance() {
            return instance;
        }
    }

    // 获取实例(单例对象)
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonEnum.INSTANCE.getInstance();
    }

    private Singleton() { }
}

是不是很简单?而且因为自动序列化机制,保证了线程的绝对安全。三个词概括该方式:简单、高效、安全

这种写法在功能上与共有域方法相近,但是它更简洁,无偿地提供了序列化机制,绝对防止对此实例化,即使是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这中方法还没有广泛采用,但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

密码: lt0t

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