内部类实现多线程环境中的单例模式

红太狼 2022-07-16 04:26 190阅读 0赞

原文地址：https://my.oschina.net/alexgaoyh/blog/261106

单例模式的惰性加载

通常当我们设计一个单例类的时候，会在类的内部构造这个类（通过构造函数，或者在定义处直接创建），并对外提供一个static getInstance方法提供获取该单例对象的途径。例如：

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

这样的代码缺点是：第一次加载类的时候会连带着创建Singleton实例，这样的结果与我们所期望的不同，因为创建实例的时候可能并不是我们需要这个实例的时候。同时如果这个Singleton实例的创建非常消耗系统资源，而应用始终都没有使用Singleton实例，那么创建Singleton消耗的系统资源就被白白浪费了。

为了避免这种情况，我们通常使用惰性加载的机制，也就是在使用的时候才去创建。以上代码的惰性加载代码如下：

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

这样，当我们第一次调用Singleton.getInstance()的时候，这个单例才被创建，而以后再次调用的时候仅仅返回这个单例就可以了。   
  
但是 惰性加载在多线程中的问题：   
这是如果两个线程A和B同时执行了该方法，然后以如下方式执行：   
1. A进入if判断，此时foo为null，因此进入if内   
2. B进入if判断，此时A还没有创建foo，因此foo也为null，因此B也进入if内   
3. A创建了一个Foo并返回   
4. B也创建了一个Foo并返回   
此时问题出现了，我们的单例被创建了两次，而这并不是我们所期望的。

所以可以使用Class锁机制 给getInstance方法加上一个synchronize前缀，这样每次只允许一个现成调用getInstance方法：

\*\*\*\*\*\*\*\*\*PS:1

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

这种解决办法的确可以防止错误的出现，但是它却很影响性能：每次调用getInstance方法的时候都必须获得Singleton的锁，而实际上，当单例实例被创建以后，其后的请求没有必要再使用互斥机制了

曾经有人为了解决以上问题，提出了double-checked locking的解决方案

\*\*\*\*\*\*\*\*\*PS:2

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

让我们来看一下这个代码是如何工作的：首先当一个线程发出请求后，会先检查instance是否为null，如果不是则直接返回其内容，这样避免了进入synchronized块所需要花费的资源。其次，即使第2节提到的情况发生了，两个线程同时进入了第一个if判断，那么他们也必须按照顺序执行synchronized块中的代码，第一个进入代码块的线程会创建一个新的Singleton实例，而后续的线程则因为无法通过if判断，而不会创建多余的实例。   
  
上述描述似乎已经解决了我们面临的所有问题，但实际上，从JVM的角度讲，这些代码仍然可能发生错误。   
  
对于JVM而言，它执行的是一个个Java指令。在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，   
也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就使出错成为了可能，我们仍然以A、B两个线程为例：   
  
1.A、B线程同时进入了第一个if判断   
2.A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();   
3.由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。   
4.B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。   
5.此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。   
  
为了实现慢加载，并且不希望每次调用getInstance时都必须互斥执行，最好并且最方便的解决办法如下：（通过内部类实现多线程环境中的单例模式）

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

JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题(PS:2)。此外该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低效问题(PS:1)。最后instance是在第一次加载SingletonContainer类时被创建的，而SingletonContainer类则在调用getInstance方法的时候才会被加载，因此也实现了惰性加载。

除了内部类实现多线程环境中的单例模式外，仍然可以通过关键字volatile，防止指令重排序，达到与上述相同功能，将实例变量声明为volatile：

private static volatile Singleton instance;

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