java Singleton 几种方式解析

land_zhj 2012-12-05

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概念：

在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在

运用：

1）系统资源，如文件路径，数据库链接，系统常量等

2）全局状态化类，类似AutomicInteger的使用

优缺点：

1）节省内存有利于垃圾回收

2）只能使用在特定的环境下,受限制于JVM和容器

单例作用范围的前提是在一个ClassLoad下。所以像分布式应用EJB就要用其它的方式来解决单例问题。

Demo：

分别列出多种实现方式，各分析其优缺点

1）静态成员直接初始化，或者在静态代码块初始化都可以

Java代码  
class Singleton{    
    private Singleton(){}    
    private static final Singleton singleton = new Singleton();    
    public static Singleton getInstance(){return singleton;}    
}    

该实现只要在一个ClassLoad下就会提供一个对象的单例。但是美中不足的是，不管该资源是否被请求，它都会创建一个对象，占用jvm内存。从lazy initialization思想出发，出现了下2的写法

2）根据lazy initialization思想，使用到时才初始化。

Java代码  
class Singleton{    
    private Singleton(){}    
    private static Singleton singleton ;    
    public static synchronized Singleton getInstance(){    
        if(singleton==null)    
            singleton = new Singleton();    
        return singleton;           
    }       
}    

该实现方法加了同步锁，可以有效防止多线程在执行getInstance方法得到2个对象。

缺点：只有在第一次调用的时候，才会出现生成2个对象，才必须要求同步。而一旦singleton 不为null，系统依旧花费同步锁开销，有点得不偿失。

因此再改进出现写法3

3）在2的基础上改进，改进标准：尽量减少锁资源(主要体现在执行时间，所占内存等)

Java代码  
class Singleton{    
    private Singleton(){}    
    private static Singleton singleton ;    
    public static Singleton getInstance(){    
        if(singleton==null)//1    
            synchronized(Singleton.class){//2    
                singleton = new Singleton();//3    
            }    
        return singleton;           
    }       
}    

这种写法减少了锁开销，但是在如下情况，却创建了2个对象：

a:线程1执行到1挂起，线程1认为singleton为null

b:线程2执行到1挂起，线程2认为singleton为null

c:线程1被唤醒执行synchronized块代码，走完创建了一个对象

d:线程2被唤醒执行synchronized块代码，走完创建了另一个对象

所以看出这种写法，并不完美。

4）为了解决3存在的问题，引入双重检查锁定

Java代码  
public static Singleton getInstance(){    
        if(singleton==null)//1    
            synchronized(Singleton.class){//2    
                if(singleton==null)//3    
                    singleton = new Singleton();//4    
            }    
        return singleton;           
    }    

在同步锁代码块内部，再判断一次对象是否为null，为null才创建对象。这种写法已经接近完美：

a:线程1执行到1，已经进入synchronized的时候，线程挂起，线程1占有Singleton.class资源锁；

b:线程2执行到1，当它准备synchronized块时，因为Singleton.class被占用，线程2阻塞；

c:线程1被唤醒，判断出对象为null，执行完创建一个对象

d:线程2被唤醒，判断出对象不为null，不执行创建语句

如此分析，发现似乎没问题。

但是实际上并不能保证它在单处理器或多处理器上正确运行；

问题就出现在singleton = new Singleton()这一行代码。它可以简单的分成如下三个步骤：

mem= singleton();//1

instance = mem;//2

ctorSingleton(instance);//3

这行代码先在内存开辟空间，赋给singleton的引用，然后执行new 初始化数据，但是注意初始化是要消耗时间。如果此时线程3在执行步骤1的时候，发现singleton 为非null，就直接返回，那么线程3返回的其实是一个没构造完成的对象。

我们期望1,2,3 按照反序执行，但是实际jvm内存模型，并没有明确的有序指定。

这归咎于java的平台的内存模型允许“无序写入”。

5）在4的基础上引入volatile

代码如下：

Java代码  
class Singleton{    
    private Singleton(){}    
    private static volatile Singleton singleton ;    
    public static Singleton getInstance(){    
        if(singleton==null)//1    
            synchronized(Singleton.class){//2    
                if(singleton==null)//3    
                    singleton = new Singleton();    
            }    
        return singleton;           
    }       
}    