单例模式，关键字级别详解

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单例模式，关键字级别详解

2023-12-27 09:40| 来源: 网络整理| 查看: 265

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0.前言

如果你去问一个写过几年代码的程序员用过哪些设计模式，我打赌，90%以上的回答里面会带【单例模式】。甚至有的面试官会直接问：说一下你用过哪些设计模式，单例就不用说了。你看，连面试官都听烦了，火爆程度可见一斑。

不过，看似简单的单例模式，里面蕴含了很多Java基础，日常开发过程中课代表见过很多不规范的，甚至是有问题的单例实现。所以整理此文，总结一下单例模式的最佳实践。

1、懒加载（懒汉）

所谓懒加载，就是直到第一次被调用时才加载。其实现需要考虑并发问题和指令重排，代码如下：

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; } }

这段代码精简至极，没有一个字符是多余的，下面逐行解读一下：

首先，注意到①处的volatile关键字，它具备两项特性：

一是保证此变量对于所有线程的可见性。即当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。

二是禁止指令重排序优化。

这里解释一下指令重排序优化：

代码 ⑤ 处的instance = new Singleton();并不是原子的，大体可分为如下 3 步：

分配内存调用构造函数初始化成实例让instance指向分配的内存空间

JVM 允许在保证结果正确的前提下进行指令重排序优化。即如上 3 步可能的顺序为1->2->3 或 1->3->2 。如果顺序是 1->3->2 ，当 3 执行完，2 还未执行时，另一个线程执行到代码 ③ 处，发现instance不为null，直接返回还未初始化好的instance并使用，就会报错。

所以使用volatile，就是为了保证线程间的可见性和防止指令重排。

其次，代码②处将构造函数声明为private目的在于阻止使用new Singleton()这样的代码生成新实例。

最后，当客户端调用Singleton.getInstance()时，先检查是否已经实例化(代码③)，未实例化时同步代码块，然后再次检查是否已实例化(代码④)，然后才执行代码⑤。两次检查的意义在于，防止synchronized同步过程中其他线程进行了实例化。

这就是著名的双重检查锁(Double check lock)实现单例，也即懒加载。

TIPS:

网上也有直接对getInstance()方法加锁的版本，这样大范围的方法级别加锁会导致并发变低，实际上第一次调用生成实例之后，后续获取实例根本不需要并发控制了。而本例的双重检查锁版本可以避免此并发问题。

2、预加载（饿汉）

与懒加载相对应，预加载是在类加载时就已经初始化好了，所以是天然线程安全的，代码如下：

public class Singleton { private static final Singleton instance = new Singleton();// ① private Singleton(){} public static Singleton getInstance(){ return instance; } }

注意到 ① 处的类变量使用了final。

这里用final更多的意义在于提供语法约束。毕竟你是单例，就只有这一个实例，不可能再指向另一个。instance有了final的约束，后面再有人不小心编写了修改其指向的代码就会报语法错误。

这就好比@Override注解，你能保证写对方法名和参数，那不写注解也没问题，但是有了注解的约束，编译器就会帮你检查，还能防止别人乱改。

3、静态内部类

此方法和预加载原理相同，都是利用JVM类加载的特性实现天然的线程安全，不同之处在于，静态内部类做到了延迟加载。

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

SingletonHolder 是静态内部类，当外部类Singleton被加载的时候并不会创建任何实例，只有当Singleton.getInstance()被调用的时候，才会创建Singleton实例，这一切由 JVM 天然完成，所以既保证了线程安全，又实现了延迟加载。

4、枚举

没错，枚举可以实现单例，而且这种方式是《Effective Java中文版》第二版中的推荐实现方式。代码极其简单：

public enum Singleton { /** * 单例实例 */ INSTANCE; public void doSomeThing(){ System.out.println("done"); } }

使用时直接Singleton.INSTANCE.doSomeThing();即可。

这里主要利用了枚举的如下两个特性：

枚举的构造器总是私有的，所以不必像前几种方式一样显式定义私有构造方法枚举类中的每个值，都是实例（只有INSTANCE这一个实例）

除此之外，枚举还附带了一些额外好处：无偿地提供了序列化机制，还可以防止通过多次反序列化生成多个实例。

鉴于此，单例的最佳实践就是用枚举来实现。

5、总结

事实上，单例的写法并不止于本文所提的这 4 种，你可能还会看到很多其他变种，它们或多或少都存在一些缺陷，比如，懒加载方式将synchronized作用于整个方法上也能实现，但频繁加锁，释放锁会产生性能瓶颈，而完全去掉锁又会带来并发问题。

所以，只要吃透了文中列出的这 4 种单例方式，就能做到举一反三，见到别人写的单例也能一眼看出对错。

文中所列的 4 种单例模式，除了枚举之外，全都用到了static关键字，《Java 虚拟机规范》规定，有几种情况必须立即对类进行“初始化”，其中涉及static的场景如下：

读取或设置一个类型的静态字段（被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候。

调用一个类型的静态方法的时候。

懒加载，预加载和静态内部类正是利用了这两点特性。

对static关键字遗忘的同学可以参看我的另一篇文章：《一题搞定static关键字》

最后，再次强调一下，如果大家开发中需要手写单例，建议听从 Joshua Bloch在《Effective Java中文版》第二版中的建议：

单元素的枚举类型已经成为实现 Singleton 的最佳方法

参考资料：

1、《Effective Java中文版》 Joshua Bloch 第二版 P15

2、《深入理解 Java 虚拟机》周志明第3版，P444-P448，P264

3、深入浅出单实例SINGLETON设计模式

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