確保線程安全的單例模式怎么寫

本篇內(nèi)容主要講解“確保線程安全的單例模式怎么寫”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“確保線程安全的單例模式怎么寫”吧!

如何正確地寫出單例模式

單例模式算是設(shè)計(jì)模式中最容易理解，也是最容易手寫代碼的模式了吧。但是其中的坑卻不少，所以也常作為面試題來考。本文主要對幾種單例寫法的整理，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。很多都是一些老生常談的問題，但如果你不知道如何創(chuàng)建一個(gè)線程安全的單例，不知道什么是雙檢鎖，那這篇文章可能會(huì)幫助到你。

1.懶加載 線程不安全

當(dāng)被問到要實(shí)現(xiàn)一個(gè)單例模式時(shí)，很多人的第一反應(yīng)是寫出如下的代碼，包括教科書上也是這樣教我們的。

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;
    private Singleton (){}

    public static Singleton getInstance() {
     if (uniqueInstance == null) {
         uniqueInstance = new Singleton();
     }
     return uniqueInstance;
    }
}

這段代碼簡單明了，而且使用了懶加載模式，但是卻存在致命的問題。當(dāng)有多個(gè)線程并行調(diào)用 getInstance() 的時(shí)候，就會(huì)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例。也就是說在多線程下不能正常工作。

2.懶加載 線程安全

為了解決上面的問題，最簡單的方法是將整個(gè) getInstance() 方法設(shè)為同步（synchronized）。

public static synchronized Singleton getInstance() {
    if (uniqueInstance == null) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
    return uniqueInstance;
}

雖然做到了線程安全，并且解決了多實(shí)例的問題，但是它并不高效。因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候只能有一個(gè)線程調(diào)用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次調(diào)用時(shí)才被需要，即第一次創(chuàng)建單例實(shí)例對象時(shí)。這就引出了雙重檢驗(yàn)鎖。

3.雙重檢查加鎖 線程安全

雙重檢驗(yàn)加鎖模式（double checked locking pattern），是一種使用同步塊加鎖的方法。程序員稱其為雙重檢查鎖，因?yàn)闀?huì)有兩次檢查 uniqueInstance == null，一次是在同步塊外，一次是在同步塊內(nèi)。為什么在同步塊內(nèi)還要再檢驗(yàn)一次？因?yàn)榭赡軙?huì)有多個(gè)線程一起進(jìn)入同步塊外的 if，如果在同步塊內(nèi)不進(jìn)行二次檢驗(yàn)的話就會(huì)生成多個(gè)實(shí)例了。

public static Singleton getSingleton() {
    if (uniqueInstance == null) {                         //Single Checked
        synchronized (Singleton.class) {
            if (uniqueInstance == null) {                 //Double Checked
                uniqueInstance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return uniqueInstance;
}

這段代碼看起來很完美，很可惜，它是有問題。主要在于uniqueInstance = new Singleton()這句，這并非是一個(gè)原子操作，事實(shí)上在 JVM 中這句話大概做了下面 3 件事情。

1. 給 uniqueInstance 分配內(nèi)存

2. 調(diào)用 Singleton 的構(gòu)造函數(shù)來初始化成員變量

3. 將uniqueInstance對象指向分配的內(nèi)存空間（執(zhí)行完這步 uniqueInstance 就為非 null 了）

但是在 JVM 的即時(shí)編譯器中存在指令重排序的優(yōu)化。也就是說上面的第二步和第三步的順序是不能保證的，最終的執(zhí)行順序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，則在 3 執(zhí)行完畢、2 未執(zhí)行之前，被線程二搶占了，這時(shí)uniqueInstance已經(jīng)是非 null 了（但卻沒有初始化），所以線程二會(huì)直接返回 uniqueInstance，然后使用，然后順理成章地報(bào)錯(cuò)。

我們只需要將 uniqueInstance 變量聲明成 volatile 就可以了。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton uniqueInstance; //聲明成 volatile
    private Singleton (){}

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

有些人認(rèn)為使用 volatile 的原因是可見性，也就是可以保證線程在本地不會(huì)存有 uniqueInstance 的副本，每次都是去主內(nèi)存中讀取。但其實(shí)是不對的。使用 volatile 的主要原因是其另一個(gè)特性：禁止指令重排序優(yōu)化。也就是說，在 volatile 變量的賦值操作后面會(huì)有一個(gè)內(nèi)存屏障（生成的匯編代碼上），讀操作不會(huì)被重排序到內(nèi)存屏障之前。比如上面的例子，取操作必須在執(zhí)行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在執(zhí)行到 1-3 然后取到值的情況。從「先行發(fā)生原則」的角度理解的話，就是對于一個(gè) volatile 變量的寫操作都先行發(fā)生于后面對這個(gè)變量的讀操作（這里的“后面”是時(shí)間上的先后順序）。

但是特別注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的雙檢鎖還是有問題的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 內(nèi)存模型）是存在缺陷的，即使將變量聲明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 變量前后的代碼仍然存在重排序問題。這個(gè) volatile 屏蔽重排序的問題在 Java 5 中才得以修復(fù)，所以在這之后才可以放心使用 volatile。

相信你不會(huì)喜歡這種復(fù)雜又隱含問題的方式，當(dāng)然我們有更好的實(shí)現(xiàn)線程安全的單例模式的辦法。

4.急加載 static final field 線程安全

這種方法非常簡單，因?yàn)閱卫膶?shí)例被聲明成 static 和 final 變量了，在第一次加載類到內(nèi)存中時(shí)就會(huì)初始化，所以創(chuàng)建實(shí)例本身是線程安全的。

public class Singleton{
    //類加載時(shí)就初始化
    private static final Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    
    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        return uniqueInstance;
    }
}

這種寫法如果完美的話，就沒必要在啰嗦那么多雙檢鎖的問題了。缺點(diǎn)是它不是一種懶加載模式（lazy initialization），單例會(huì)在加載類后一開始就被初始化，即使客戶端沒有調(diào)用 getInstance()方法。餓漢式的創(chuàng)建方式在一些場景中將無法使用：譬如 Singleton 實(shí)例的創(chuàng)建是依賴參數(shù)或者配置文件的，在 getInstance() 之前必須調(diào)用某個(gè)方法設(shè)置參數(shù)給它，那樣這種單例寫法就無法使用了。

5.靜態(tài)內(nèi)部類 static nested class 線程安全

我比較傾向于使用靜態(tài)內(nèi)部類的方法，這種方法也是《Effective Java》上所推薦的。

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

這種寫法仍然使用JVM本身機(jī)制保證了線程安全問題；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外沒有辦法訪問它，因此它是懶加載的；同時(shí)讀取實(shí)例的時(shí)候不會(huì)進(jìn)行同步，沒有性能缺陷；也不依賴 JDK 版本。

枚舉 Enum 線程安全

用枚舉寫單例實(shí)在太簡單了！這也是它最大的優(yōu)點(diǎn)。下面這段代碼就是聲明枚舉實(shí)例的通常做法。

public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}

我們可以通過EasySingleton.INSTANCE來訪問實(shí)例，這比調(diào)用getInstance()方法簡單多了。創(chuàng)建枚舉默認(rèn)就是線程安全的，所以不需要擔(dān)心double checked locking，而且還能防止反序列化導(dǎo)致重新創(chuàng)建新的對象。但是還是很少看到有人這樣寫，可能是因?yàn)椴惶煜ぐ伞?/p>

總結(jié)

一般來說，單例模式有五種寫法：懶加載、急加載、雙重檢查加鎖鎖、靜態(tài)內(nèi)部類、枚舉。上述所說都是線程安全的實(shí)現(xiàn)，文章開頭給出的第一種方法不算正確的寫法。

就我個(gè)人而言，一般情況下直接使用急加載就好了，如果明確要求要懶加載（lazy initialization）會(huì)傾向于使用靜態(tài)內(nèi)部類，如果涉及到反序列化創(chuàng)建對象時(shí)會(huì)試著使用枚舉的方式來實(shí)現(xiàn)單例。

到此，相信大家對“確保線程安全的單例模式怎么寫”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！