深入浅出单实例Singleton设计模式

深入浅出单实例Singleton设计模式

陈皓


单实例Singleton设计模式可能是被讨论和使用的最广泛的一个设计模式了，这可能也是面试中问得最多的一个设计模式了。这个设计模式主要目的是想在整个系统中仅仅能出现一个类的实例。这样做当然是有必定的，比方你的软件的全局配置信息，或者是一个Factory，或是一个主控类，等等。你希望这个类在整个系统中仅仅能出现一个实例。当然，作为一个技术负责人的你，你当然有权利通过使用非技术的手段来达到你的目的。比方：你在团队内部明文规定，“XX类仅仅能有一个全局实例，假设某人使用两次以上，那么该人将被处于2000元的罚款！”（呵呵），你当然有权这么做。可是假设你的设计的是东西是一个类库，或是一个须要提供给用户使用的API，恐怕你的这项规定将会失效。由于，你无权要求别人会那么做。所以，这就是为什么，我们希望通过使用技术的手段来达成这样一个目的的原因。

本文会带着你深入整个Singleton的世界，当然，我会放弃使用C++语言而改用Java语言，由于使用Java这个语言可能更easy让我说明一些事情。


Singleton的教学版本号

这里，我将直接给出一个Singleton的简单实现，由于我相信你已经有这方面的一些基础了。我们姑且把这个版本号叫做1.0版

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// version 1.0
public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton() {  }
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton== null) {
            singleton= new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

在上面的实例中，我想说明以下几个Singleton的特点：（以下这些东西可能是尽人皆知的，没有什么新奇的）

  1. 私有（private）的构造函数，表明这个类是不可能形成实例了。这主要是怕这个类会有多个实例。
  2. 即然这个类是不可能形成实例，那么，我们须要一个静态的方式让其形成实例：getInstance()。注意这种方法是在new自己，由于其能够訪问私有的构造函数，所以他是能够保证实例被创建出来的。
  3. 在getInstance()中，先做推断是否已形成实例，假设已形成则直接返回，否则创建实例。
  4. 所形成的实例保存在自己类中的私有成员中。
  5. 我们取实例时，仅仅须要使用Singleton.getInstance()即可了。

当然，假设你认为知道了上面这些事情后就学成了，那得给你当头棒喝一下了，事情远远没有那么简单。

Singleton的实际版本号

上面的这个程序存在比較严重的问题，由于是全局性的实例，所以，在多线程情况下，全部的全局共享的东西都会变得非常的危急，这个也一样，在多线程情况下，假设多个线程同一时候调用getInstance()的话，那么，可能会有多个进程同一时候通过 (singleton== null)的条件检查，于是，多个实例就创建出来，而且非常可能造成内存泄露问题。嗯，熟悉多线程的你一定会说——“我们须要线程相互排斥或同步”，没错，我们须要这个事情，于是我们的Singleton升级成1.1版，例如以下所看到的：

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// version 1.1
public class Singleton
{
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton() {  }
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton== null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                singleton= new Singleton();
            }
        }
        return singleton;
    }
}

嗯，使用了Java的synchronized方法，看起来不错哦。应该没有问题了吧？！错！这还是有问题！为什么呢？前面已经说过，假设有多个线程同一时候通过(singleton== null)的条件检查（由于他们并行执行），尽管我们的synchronized方法会帮助我们同步全部的线程，让我们并行线程变成串行的一个一个去new，那不还是一样的吗？相同会出现非常多实例。嗯，确实如此！看来，还得把那个推断(singleton== null)条件也同步起来。于是，我们的Singleton再次升级成1.2版本号，例如以下所看到的：

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// version 1.2
public class Singleton
{
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton()  {  }
    public static Singleton getInstance()  {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (singleton== null) {
        singleton= new Singleton();
            }
         }
        return singleton;
    }
}

不错不错，看似非常不错了。在多线程下应该没有什么问题了，不是吗？的确是这种，1.2版的Singleton在多线程下的确没有问题了，由于我们同步了全部的线程。仅仅只是嘛……，什么？！还不行？！是的，还是有点小问题，我们本来仅仅是想让new这个操作并行就能够了，如今，仅仅要是进入getInstance()的线程都得同步啊，注意，创建对象的动作仅仅有一次，后面的动作全是读取那个成员变量，这些读取的动作不须要线程同步啊。这种作法感觉非常极端啊，为了一个初始化的创建动作，竟然让我们达上了全部的读操作，严重影响兴许的性能啊！

还得改！嗯，看来，在线程同步前还得加一个(singleton== null)的条件推断，假设对象已经创建了，那么就不须要线程的同步了。OK，以下是1.3版的Singleton。

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// version 1.3
public class Singleton
{
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton()  {    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton== null)  {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton== null)  {
                    singleton= new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

感觉代码開始变得有点罗嗦和复杂了，只是，这可能是最不错的一个版本号了，这个版本号又叫“双重检查”Double-Check。以下是说明：

  1. 第一个条件是说，假设实例创建了，那就不须要同步了，直接返回就好了。
  2. 不然，我们就開始同步线程。
  3. 第二个条件是说，假设被同步的线程中，有一个线程创建了对象，那么别的线程就不用再创建了。

相当不错啊，干得很美丽！请大家为我们的1.3版起立鼓掌！

可是，假设你觉得这个版本号大攻告成，你就错了。

主要在于singleton = new Singleton()这句，这并不是是一个原子操作，其实在 JVM 中这句话大概做了以下 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（运行完这步 singleton才是非 null 了）

可是在 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，终于的运行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。假设是后者，则在 3 运行完成、2 未运行之前，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。

对此，我们仅仅须要把singleton声明成 volatile 就能够了。以下是1.4版：

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// version 1.4
public class Singleton
{
    private volatile static Singleton singleton = null;
    private Singleton()  {    }
    public static Singleton getInstance()   {
        if (singleton== null)  {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton== null)  {
                    singleton= new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

使用 volatile 有两个功用：

1）这个变量不会在多个线程中存在复本，直接从内存读取。

2）这个keyword会禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。

可是，这个事情仅在Java 1.5版后实用，1.5版之前用这个变量也有问题，由于老版本号的Java的内存模型是有缺陷的。

Singleton 的简化版本号

上面的玩法实在是太复杂了，一点也不优雅，以下是一种更为优雅的方式：

这样的方法很easy，由于单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次载入类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。

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// version 1.5
public class Singleton
{
    private volatile static Singleton singleton = new Singleton();
    private Singleton()  {    }
    public static Singleton getInstance()   {
        return singleton;
    }
}

可是，这样的玩法的最大问题是——当这个类被载入的时候，new Singleton() 这句话就会被运行，就算是getInstance()没有被调用，类也被初始化了。

于是，这个可能会与我们想要的行为不一样，比方，我的类的构造函数中，有一些事可能须要依赖于别的类干的一些事（比方某个配置文件，或是某个被其他类创建的资源），我们希望他能在我第一次getInstance()时才被真正的创建。这样，我们能够控制真正的类创建的时刻，而不是把类的创建托付给了类装载器。

好吧，我们还得绕一下：

以下的这个1.6版是老版《Effective Java》中推荐的方式。

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// version 1.6
public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton (){}
    public static final Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

上面这样的方式，仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；因为 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法訪问它，因此它仅仅有在getInstance()被调用时才会真正创建；同一时候读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本号。

Singleton 优雅版本号

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public enum Singleton{
   INSTANCE;
}

竟然用枚举！！看上去好牛逼，通过EasySingleton.INSTANCE来訪问，这比调用getInstance()方法简单多了。

默认枚举实例的创建是线程安全的，所以不须要操心线程安全的问题。可是在枚举中的其它不论什么方法的线程安全由程序猿自己负责。还有防止上面的通过反射机制调用私用构造器。

这个版本号基本上消除了绝大多数的问题。代码也很easy，实在无法不用。这也是新版的《Effective Java》中推荐的模式。

Singleton的其他问题

怎么？还有问题？！当然还有，请记住以下这条规则——“不管你的代码写得有多好，其仅仅能在特定的范围内工作，超出这个范围就要出Bug了”，这是“陈式第一定理”，呵呵。你能想一想还有什么情况会让这个我们上面的代码出问题吗？

在C++下，我不是非常好举例，可是在Java的环境下，嘿嘿，还是让我们来看看以下的一些反例和一些别的事情的讨论（当然，有些反例可能属于钻牛角尖，可能有点学院派，只是也不排除事实上际可能性，就算是提个醒吧）：

其一、Class Loader。不知道你对Java的Class Loader熟悉吗？“类装载器”？！C++可没有这个东西啊。这是Java动态性的核心。顾名思义，类装载器是用来把类(class)装载进JVM的。JVM规范定义了两种类型的类装载器：启动内装载器(bootstrap)和用户自己定义装载器(user-defined class loader)。 在一个JVM中可能存在多个ClassLoader，每一个ClassLoader拥有自己的NameSpace。一个ClassLoader仅仅能拥有一个class对象类型的实例，可是不同的ClassLoader可能拥有同样的class对象实例，这时可能产生致命的问题。如ClassLoaderA，装载了类A的类型实例A1，而ClassLoaderB，也装载了类A的对象实例A2。逻辑上讲A1=A2，可是因为A1和A2来自于不同的ClassLoader，它们实际上是全然不同的，假设A中定义了一个静态变量c，则c在不同的ClassLoader中的值是不同的。

于是，假设咱们的Singleton 1.3版本号假设面对着多个Class Loader会怎么样？呵呵，多个实例相同会被多个Class Loader创建出来，当然，这个有点牵强，只是他确实存在。难道我们还要整出个1.4版吗？但是，我们怎么可能在我的Singleton类中操作Class Loader啊？是的，你根本不可能。在这样的情况下，你能做的仅仅有是——“保证多个Class Loader不会装载同一个Singleton”。

其二、序例化。假设我们的这个Singleton类是一个关于我们程序配置信息的类。我们须要它有序列化的功能，那么，当反序列化的时候，我们将无法控制别人不多次反序列化。只是，我们能够利用一下Serializable接口的readResolve()方法，比方：

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public class Singleton implements Serializable
{
    ......
    ......
    protected Object readResolve()
    {
        return getInstance();
    }
}

其三、多个Java虚拟机。假设我们的程序执行在多个Java的虚拟机中。什么？多个虚拟机？这是一种什么样的情况啊。嗯，这样的情况是有点极端，只是还是可能出现，比方EJB或RMI之流的东西。要在这样的环境下避免多实例，看来仅仅能通过良好的设计或非技术来攻克了。

其四，volatile变量。关于volatile这个keyword所声明的变量能够被看作是一种 “程度较轻的同步synchronized”；与 synchronized 块相比，volatile 变量所需的编码较少，并且执行时开销也较少，可是它所能实现的功能也仅是synchronized的一部分。当然，如前面所述，我们须要的Singleton仅仅是在创建的时候线程同步，而后面的读取则不须要同步。所以，volatile变量并不能帮助我们即能解决这个问题，又有好的性能。并且，这样的变量仅仅能在JDK 1.5+版后才干使用。

其五、关于继承。是的，继承于Singleton后的子类也有可能造成多实例的问题。只是，由于我们早把Singleton的构造函数声明成了私有的，所以也就杜绝了继承这样的事情。

其六，关于代码重用。也话我们的系统中有非常多个类须要用到这个模式，假设我们在每个类都中有这种代码，那么就显得有点傻了。那么，我们能否够使用一种方法，把这具模式抽象出去？在C++下这是非常easy的，由于有模板和友元，还支持栈上分配内存，所以比較easy一些（程序例如以下所看到的），Java下可能比較复杂一些，聪明的你知道怎么做吗？

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template class Singleton
{
    public:
        static T& Instance()
        {
            static T theSingleInstance; //如果T有一个protected默认构造函数
            return theSingleInstance;
        }
};
 
class OnlyOne : public Singleton
{
    friend class Singleton;
    int example_data;
 
    public:
        int GetExampleData() const {return example_data;}
    protected:
        OnlyOne(): example_data(42) {}   // 默认构造函数
        OnlyOne(OnlyOne&) {}
};
 
int main( )
{
    cout << OnlyOne::Instance().GetExampleData() << endl;
    return 0;
}

 

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（全文完）


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