如何正确地写出单例模式

单例模式算是设计模式中最容易理解，也是最容易手写代码的模式了吧。可是其中的坑却很多，因此也常做为面试题来考。本文主要对几种单例写法的整理，并分析其优缺点。不少都是一些老生常谈的问题，但若是你不知道如何建立一个线程安全的单例，不知道什么是双检锁，那这篇文章可能会帮助到你。

懒汉式，线程不安全

当被问到要实现一个单例模式时，不少人的第一反应是写出以下的代码，包括教科书上也是这样教咱们的。

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

这段代码简单明了，并且使用了懒加载模式，可是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候，就会建立多个实例。也就是说在多线程下不能正常工做。

懒汉式，线程安全

为了解决上面的问题，最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步（synchronized）。

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

虽然作到了线程安全，而且解决了多实例的问题，可是它并不高效。由于在任什么时候候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。可是同步操做只须要在第一次调用时才被须要，即第一次建立单例实例对象时。这就引出了双重检验锁。

双重检验锁

双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁，由于会有两次检查 instance == null，一次是在同步块外，一次是在同步块内。为何在同步块内还要再检验一次？由于可能会有多个线程一块儿进入同步块外的 if，若是在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。

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

这段代码看起来很完美，很惋惜，它是有问题。主要在于instance = new Singleton()这句，这并不是是一个原子操做，事实上在 JVM 中这句话大概作了下面 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
3. 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 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，最终的执行顺序多是 1-2-3 也多是 1-3-2。若是是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行以前，被线程二抢占了，这时 instance 已是非 null 了（但却没有初始化），因此线程二会直接返回 instance，而后使用，而后瓜熟蒂落地报错。

咱们只须要将 instance 变量声明成 volatile 就能够了。

public class Singleton { private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile private Singleton (){} public static Singleton getSingleton() { if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } } } return instance; } }

有些人认为使用 volatile 的缘由是可见性，也就是能够保证线程在本地不会存有 instance 的副本，每次都是去主内存中读取。但实际上是不对的。使用 volatile 的主要缘由是其另外一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操做后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操做不会被重排序到内存屏障以前。好比上面的例子，取操做必须在执行完 1-2-3 以后或者 1-3-2 以后，不存在执行到 1-3 而后取到值的状况。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操做都先行发生于后面对这个变量的读操做（这里的“后面”是时间上的前后顺序）。

可是特别注意在 Java 5 之前的版本使用了 volatile 的双检锁仍是有问题的。其缘由是 Java 5 之前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能彻底避免重排序，主要是 volatile 变量先后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，因此在这以后才能够放心使用 volatile。

相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式，固然咱们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

饿汉式 static final field

这种方法很是简单，由于单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，因此建立实例自己是线程安全的。

public class Singleton{ //类加载时就初始化 private static final Singleton instance = new Singleton(); private Singleton(){} public static Singleton getInstance(){ return instance; } }

这种写法若是完美的话，就不必在啰嗦那么多双检锁的问题了。缺点是它不是一种懒加载模式（lazy initialization），单例会在加载类后一开始就被初始化，即便客户端没有调用 getInstance()方法。饿汉式的建立方式在一些场景中将没法使用：譬如 Singleton 实例的建立是依赖参数或者配置文件的，在 getInstance() 以前必须调用某个方法设置参数给它，那样这种单例写法就没法使用了。

静态内部类 static nested class

我比较倾向于使用静态内部类的方法，这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。

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

这种写法仍然使用JVM自己机制保证了线程安全问题；因为 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 以外没有办法访问它，所以它是懒汉式的；同时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。

枚举 Enum

用枚举写单例实在太简单了！这也是它最大的优势。下面这段代码就是声明枚举实例的一般作法。

public enum EasySingleton{ INSTANCE; }

咱们能够经过EasySingleton.INSTANCE来访问实例，这比调用getInstance()方法简单多了。建立枚举默认就是线程安全的，因此不须要担忧double checked locking，并且还能防止反序列化致使从新建立新的对象。可是仍是不多看到有人这样写，多是由于不太熟悉吧。

总结

通常来讲，单例模式有五种写法：懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举。上述所说都是线程安全的实现，文章开头给出的第一种方法不算正确的写法。

就我我的而言，通常状况下直接使用饿汉式就行了，若是明确要求要懒加载（lazy initialization）会倾向于使用静态内部类，若是涉及到反序列化建立对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。

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