2.6 单例模式的其他实现方式
2.6.1 懒汉模式
懒汉模式是声明一个静态对象,并且在用户第一次调用getInstance时进行初始化,而上述的饿汉模式(CEO类)是在声明静态对象时就已经初始化。懒汉单例模式实现如下。
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton () {}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton ();
}
return instance;
}
}
读者可能已经发现了,getInstance()方法中添加了synchronized关键字,也就是getInstance是一个同步方法,这就是上面所说的在多线程情况下保证单例对象唯一性的手段。细想一下,大家可能会发现一个问题,即使instance已经被初始化(第一次调用时就会被初始化instance),每次调用getInstance方法都会进行同步,这样会消耗不必要的资源,这也是懒汉单例模式存在的最大问题。
最后总结一下,懒汉单例模式的优点是单例只有在使用时才会被实例化,在一定程度上节约了资源;缺点是第一次加载时需要及时进行实例化,反应稍慢,最大的问题是每次调用getInstance都进行同步,造成不必要的同步开销。这种模式一般不建议使用。
2.6.2 Double CheckLock ( DCL )实现单例
DCL方式实现单例模式的优点是既能够在需要时才初始化单例,又能够保证线程安全,且单例对象初始化后调用getInstance不进行同步锁。代码如下所示:
public class Singleton {
private static Singleton sInstance = null;
private Singleton() {
}
public void doSomething() {
System.out.println("do sth.");
}
public static Singleton getInstance() {
if (mInstance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (mInstance == null) {
sInstance = new Singleton();
}
}
}
return sInstance;
}
本程序的亮点自然都在getInstance方法上,可以看到getInstance方法中对instance进行了两次判空:第一层判断主要是为了避免不必要的同步,第二层的判断则是为了在null的情况下创建实例。这是什么意思呢?是不是有点摸不着头脑,下面就一起来分析一下。
假设线程A执行到sInstance = new Singleton()语句,这里看起来是一句代码,但实际上它并不是一个原子操作,这句代码最终会被编译成多条汇编指令,它大致做了3件事情:
(1)给Singleton的实例分配内存;
(2)调用Singleton()的构造函数,初始化成员字段;
(3)将sInstance对象指向分配的内存空间(此时sInstance就不是null了)。
但是,由于Java编译器允许处理器乱序执行,以及JDK1.5之前JMM(Java Memory Model,即Java内存模型)中Cache、寄存器到主内存回写顺序的规定,上面的第二和第三的顺序是无法保证的。也就是说,执行顺序可能是也可能是1-3-2。如果是后者,并且在3执行完毕、2未执行之前,被切换到线程B上,这时候sInstance因为已经在线程A内执行过了第三点,sInstance已经是非空了,所以,线程B直接取走sInstance,再使用时就会出错,这就是DCL失效问题,而且这种难以跟踪难以重现的错误很可能会隐藏很久。
在JDK1.5之后,SUN官方已经注意到这种问题,调整了JMM、具体化了volatile关键字,因此,如果JDK是1.5或之后的版本,只需要将sInstance的定义改成private volatile static Singleton sInstance = null就可以保证sInstance对象每次都是从主内存中读取,就可以使用DCL的写法来完成单例模式。当然,volatile或多或少也会影响到性能,但考虑到程序的正确性,牺牲这点性能还是值得的。
DCL的优点:资源利用率高,第一次执行getInstance时单例对象才会被实例化,效率高。缺点:第一次加载时反应稍慢,也由于Java内存模型的原因偶尔会失败。在高并发环境下也有一定的缺陷,虽然发生概率很小。DCL模式是使用最多的单例实现方式,它能够在需要时才实例化单例对象,并且能够在绝大多数场景下保证单例对象的唯一性,除非你的代码在并发场景比较复杂或者低于JDK 6版本下使用,否则,这种方式一般能够满足需求。
2.6.3 静态内部类单例模式
DCL虽然在一定程度上解决了资源消耗、多余的同步、线程安全等问题,但是,它还是在某些情况下出现失效的问题。这个问题被称为双重检查锁定(DCL)失效,在《Java并发编程实践》一书的最后谈到了这个问题,并指出这种“优化”是丑陋的,不赞成使用。而建议使用如下的代码替代:
public class Singleton {
private Singleton() { }
public static Singleton getInstance () {
return SingletonHolder.sInstance;
}
/**
* 静态内部类
*/
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton sInstance = new Singleton();
}
}
当第一次加载Singleton类时并不会初始化sInstance,只有在第一次调用Singleton的getInstance方法时才会导致sInstance被初始化。因此,第一次调用getInstance方法会导致虚拟机加载SingletonHolder类,这种方式不仅能够确保线程安全,也能够保证单例对象的唯一性,同时也延迟了单例的实例化,所以这是推荐使用的单例模式实现方式。
2.6.4 枚举单例
前面讲解了一些单例模式实现方式,但是,这些实现方式不是稍显麻烦就是会在某些情况下出现问题。还有没有更简单的实现方式呢?我们看看下面的实现:
public enum SingletonEnum {
INSTANCE;
public void doSomething() {
System.out.println("do sth.");
}
}
什么?枚举!没错,就是枚举!
写法简单是枚举单例最大的优点,枚举在Java中与普通的类是一样的,不仅能够有字段,还能够有自己的方法。最重要的是默认枚举实例的创建是线程安全的,并且在任何情况下它都是一个单例。
为什么这么说呢?在上述的几种单例模式实现中,在一个情况下它们会出现重新创建对象的情况,那就是反序列化。
通过序列化可以将一个单例的实例对象写到磁盘,然后再读回来,从而有效地获得一个实例。即使构造函数是私有的,反序列化时依然可以通过特殊的途径去创建类的一个新的实例,相当于调用该类的构造函数。反序列化操作提供了一个很特别的钩子函数,类中具有一个私有的、被实例化的方法readResolve(),这个方法可以让开发人员控制对象的反序列化。例如,上述几个示例中如果要杜绝单例对象在被反序列化时重新生成对象,那么必须加入如下方法:
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return sInstance;
}
也就是在readResolve方法中将sInstance对象返回,而不是默认的重新生成一个新的对象。而对于枚举,并不存在这个问题,因为即使反序列化它也不会重新生成新的实例。
2.6.5 使用容器实现单例模式
在学习了上述各类单例模式的实现之后,再来看看一种另类的实现,具体代码如下:
public class SingletonManager {
private static Map<String, Object> objMap = new HashMap<String,Object>();
private Singleton() { }
public static void registerService(String key, Objectinstance) {
if (!objMap.containsKey(key) ) {
objMap.put(key, instance) ;
}
}
public static ObjectgetService(String key) {
return objMap.get(key) ;
}
}
在程序的初始,将多种单例类型注入到一个统一的管理类中,在使用时根据key获取对象对应类型的对象。这种方式使得我们可以管理多种类型的单例,并且在使用时可以通过统一的接口进行获取操作,降低了用户的使用成本,也对用户隐藏了具体实现,降低了耦合度。
不管以哪种形式实现单例模式,它们的核心原理都是将构造函数私有化,并且通过静态方法获取一个唯一的实例,在这个获取的过程中必须保证线程安全、防止反序列化导致重新生成实例对象等问题。选择哪种实现方式取决于项目本身,如是否是复杂的并发环境、JDK版本是否过低、单例对象的资源消耗等。