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一、摘要
本文對(duì)單例模式在 Java 里的不同實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了分析，對(duì)比了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)并給出使用結(jié)論。
二、單例模式的實(shí)現(xiàn)
單例模式的要義是控制某一個(gè)類只有一個(gè)唯一的實(shí)例，并提供一個(gè)統(tǒng)一的訪問點(diǎn)。它主要用在某些不希望有多個(gè)實(shí)例的場景，比如線程池。
1.基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)
首先來看一個(gè)單例模式的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn):
public class Singleton {
private static final Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {
System.out.println("Singleton()");
}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
這個(gè)實(shí)現(xiàn)聲明了一個(gè)靜態(tài)變量 instance，利用了 Java 類初始化的規(guī)則（詳見下方參考資料里的 JSL 12.4.1）:
- 一個(gè)類只有在被實(shí)例化，調(diào)用靜態(tài)方法和訪問靜態(tài)變量之前才會(huì)被初始化。
- 類的初始化會(huì)執(zhí)行靜態(tài)初始化塊和靜態(tài)變量的初始化語句。
- 類的初始化過程會(huì)加鎖，可以保證只會(huì)執(zhí)行一次。
因此這種方式保證了 instance 只會(huì)在類初始化的時(shí)候被創(chuàng)建一次，之后每次通過 getInstance 獲取到的都是同一個(gè)實(shí)例。
2.懶加載實(shí)現(xiàn)
有時(shí)不想要實(shí)例過早初始化，而是在真正使用到的時(shí)候才初始化，這種策略被稱為懶加載。
2.1 基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)
public class LazySingletonNaive {
private static LazySingletonNaive instance;
private LazySingletonNaive() {
System.out.println("LazySingletonNaive()");
}
public static LazySingletonNaive getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new LazySingletonNaive();
}
return instance;
}
}
注意這里的 getInstance 方法存在競態(tài)條件，有可能兩個(gè)線程分別檢查到 instance == null，然后各自執(zhí)行了一次實(shí)例化操作。
而且由于指令重排的原因，還有可能造成部分初始化問題，這一點(diǎn)在后面 DCL 時(shí)會(huì)說到。
2.2 線程安全的懶加載
- 方法1：直接對(duì) getInstance 方法加 synchronized 鎖
public static synchronized LazySingletonNaive getInstance() {
這種方式最簡單，但會(huì)帶來同步性能開銷，僅在應(yīng)用可以接受這種性能開銷時(shí)使用。
- 方法2：Double Check Lock
public class LazySingletonDCL {
private static volatile LazySingletonDCL instance; // 這里必須使用 volatile 關(guān)鍵字，是為了避免部分初始化問題，下文詳述。
private LazySingletonDCL() {
System.out.println("LazySingletonDCL()");
}
public static LazySingletonDCL getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (LazySingletonNaive.class) {
if (instance == null) {
instance = new LazySingletonDCL();
}
}
}
return instance;
}
}
getInstance 方法的邏輯是：
- 首先判斷 instance 是否為空，如果不為空，則說明已經(jīng)初始化過了，可以直接使用，這種情況下可以不用進(jìn)入同步塊，避免了絕大多數(shù)情況下的性能開銷；
- 如果為空，則說明需要進(jìn)行初始化，進(jìn)入同步塊，拿到鎖之后需要再檢查一次 instance 是否為空（Double Check 名稱的來源)，如果 instance 為空，則執(zhí)行初始化，否則說明其他線程已經(jīng)初始化過了，直接返回即可。
instance 實(shí)例必須要使用 volatile 修飾，是為了避免部分初始化問題。
- 方法3：Holder 方式
public class LazySingletonHolder {
private static class Holder {
static final LazySingletonHolder instance = new LazySingletonHolder();
}
private LazySingletonHolder() {
System.out.println("LazySingletonHolder()");
}
public static LazySingletonHolder getInstance() {
return Holder.instance;
}
}
這里新創(chuàng)建了一個(gè)靜態(tài)私有內(nèi)部類 Holder，它的唯一目的就是存儲(chǔ)一個(gè)靜態(tài)的 instance 實(shí)例。然后這個(gè)類只有在 getInstance 方法調(diào)用時(shí)才會(huì)初始化，從而把 instance 實(shí)例初始化，實(shí)現(xiàn)了懶加載。
這種方式也比較簡單，同時(shí)避免了同步的性能開銷，推薦使用。
問：同樣是利用類的靜態(tài)變量，為什么說 Singleton 和 LazySingletonHolder 一個(gè)沒有懶加載，一個(gè)實(shí)現(xiàn)了懶加載呢？
答：如果按照上面貼出來的代碼，Singleton 類的初始化時(shí)機(jī)只有一個(gè)，那就是 getInstance 方法調(diào)用時(shí)，那它其實(shí)就是懶加載。但是實(shí)際中，這個(gè)類里可能不止 getInstance 一個(gè)公開方法，如果還暴露了其他的公開方法或者變量，在訪問那些方法或變量時(shí)，也會(huì)觸發(fā)類的初始化，就會(huì)造成還沒調(diào)用 getInstance 就初始化了實(shí)例的情況，所以說它沒有實(shí)現(xiàn)懶加載。 而 LazySingletonHolder 類里的 Holder 由于被限制為了私有，且靜態(tài)變量的唯一訪問時(shí)機(jī)就是 getInstance 方法，因此可以實(shí)現(xiàn)懶加載。 所以這兩個(gè)類的核心區(qū)別在于 instance 的初始化時(shí)機(jī)，Singleton 沒有做嚴(yán)格管控，有可能會(huì)被提前初始化，LazySingletonHolder 做了嚴(yán)格管控，從而實(shí)現(xiàn)了懶加載。
三、幾種方式的對(duì)比與總結(jié)
結(jié)論：
基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)方式足夠簡單，易于理解，也沒有并發(fā)問題，如果沒有特殊的需求，建議90%的場景直接使用。
如果應(yīng)用場景確實(shí)需要懶加載，建議使用 Holder 方式。
DCL 方式有點(diǎn) tricky，可讀性不夠好，而且相比 Hold 方式?jīng)]有優(yōu)勢，因此不建議使用。
那是不是 DCL 方式就沒有用處了呢？也不是，如果想要對(duì)一個(gè)實(shí)例變量做懶加載，基于靜態(tài)變量的 Holder 方式就行不通了，此時(shí)就必須使用 DCL 才行了。
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