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Java 单例以及单例所引发的思考

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前言

前几天无意中看到一篇文章,讲到了老生常谈的单例,抱着复习一下的心态点了进去,还是那些熟悉的内容,可是却发现自己思考的角度变了,以前更多的是去记忆,只停留在表面,而现在更多的是去思考为什么会这么做。所以今天我也来总结一下 Java 中常见的单例,并记录下自己的思考。

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正文

Java 中常见的几类单例:

  • 饿汉式单例
  • 双重检查锁单例
  • 静态内部类单例
  • 枚举单例

我们来逐个分解:

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饿汉式单例

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

饿汉式单例中 instance 的初始化是在类加载时进行的,而类的加载是由 ClassLoader 来完成,这个过程由 JVM 来保证同步,所以这种方式天生是线程安全的。它的缺点也显而易见:容易造成资源的浪费,并且如果构造方法中处理过多,还有可能引发性能问题。

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双重检查锁单例

public class Singleton {    private static volatile Singleton instance;    private Singleton() {}    public static Singleton getInstance() {        if (instance == null) {            synchronized (Singleton.class) {                if (instance == null) {                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }        return instance;
    }
}

这是进化到最终的完美版,它的优点很多,我们来挨个分析:

  1. 延迟加载,它的实例在第一次使用时才会创建
  2. 线程安全,使用 synchronized 来解决线程同步的问题
  3. 性能提升,如果只有一次检查的话,相当于为了解决 1% 几率的同步问题,而使用了一个 100% 出现的防护盾。双重检查就是把 100% 出现的防护盾,也改为 1% 的几率出现。只有 instance 为 null 的时候,才进入 synchronized 的代码段——大大减少了几率。

这里还得提一下 volatile 关键字,volatile 主要的作用有两点:

  1. 内存可见性:可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时,另外一个线程能读到这个修改的值。
  2. 禁止指令重排:双重检查锁单例中利用的就是这一点。

那什么是指令重排呢?指令重排是指计算机为了提高执行效率,会做一些优化,在不影响最终结果的情况下,可能会对一些语句的执行顺序进行调整。

以下是引用程序员之家里关于指令重排导致程序出错的例子,写得非常清楚:

主要是在 instance = new Singleton() 这句,这并非是一个原子操作,事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。

  1. 给 instance 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 instance 对象指向分配的内存空间(执行完这步 instance 才是非 null )

但是在 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,最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者,则在 3 执行完毕、2 未执行之前,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。

再稍微解释一下,就是说,由于有一个『instance 已经不为 null 但是仍没有完成初始化』的中间状态,而这个时候,如果有其他线程刚好运行到第一层 if (instance == null) 这里,这里读取到的 instance 已经不为 null 了,所以就直接把这个中间状态的 instance 拿去用了,就会产生问题。 这里的关键在于——线程 T1 对 instance 的写操作没有完成,线程 T2 就执行了读操作。

把 instance 声明为 volatile 之后,对它的写操作就会有一个内存屏障,这样在它的赋值完成之前,就不用调用读操作。

注意:volatile 阻止的不 instance = new Singleton()这句话内部 [1-2-3] 的指令重排,而是保证了在一个写操作([1-2-3])完成之前,不会调用读操作(if (instance == null))。

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静态内部类单例

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

由于 InnerClass 是一个内部类,只在外部类的 Singleton 的 getInstance() 中被使用,所以它被加载的时机也就是在 getInstance() 方法第一次被调用的时候。并且 InnerClass 初始化的时候会由 ClassLoader 来保证同步。

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一些个人的思考

当我第一次看见这种写法的时候,不禁惊叹于它的巧妙,既利用了 ClassLoader 保证同步,又实现了延迟加载,简直神乎其技。但是前几天当我再次体会这种写法时,便产生了一些思考,为什么一定要用静态内部类来实现呢,用非静态内部类行不行呢? 答案当然是不行的,但是原因究竟是什么呢?一开始我以为只有静态内部类才会在第一次调用时被加载,其实这是不正确的,内部类(静态和非静态)都是在第一次调用时才会被加载。 后来我直接把静态内部类前的 static 关键字去掉,编译器报错 Inner classes cannot have static declarations(内部类不能持有静态的声明),这是为什么呢?

我们知道要使用一个类的静态成员,需要先把这个类加载到虚拟机中,而成员内部类是需要由外部类对象 new 一个实例才可以使用,这就无法做到静态成员的要求。所以 Java 不允许非静态内部类持有静态的声明。

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枚举单例

public enum Singleton {    INSTANCE;        public void func1() {        // do something    }
}

使用枚举除了线程安全和防止反射强行调用构造方法外,还提供了自动序列化机制,防止反序列化的时候创建新的对象。因此,Effective Java 推荐尽可能地使用单元素枚举来实现单例。

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一些个人的思考

枚举单例是如何防止反射攻击的呢? 我们得从枚举的实现去考虑。 上面的枚举类经过编译后会成为下面的格式:

public abstract class Singleton extends Enum

类的修饰为 abstract,所以没法实例化,反射也无能为力。

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结语

越来越觉得自己对基础的把握不够了,看来是应该抽出时间把 Java 基础好好过一遍了。

  • 作者:实例波 链接:https://www.jianshu.com/p/64cad6e0f5ba

本文分享自微信公众号 - java思维导图(java-mindmap),作者:实例波

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原始发表时间:2018-01-17

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