深入理解單例模式:靜態內部類單例原理


本文主要介紹java的單例模式,以及詳細剖析靜態內部類之所以能夠實現單例的原理。OK,廢話不多說,進入正文。

首先我們要先了解下單例的四大原則:

1.構造私有。
2.以靜態方法或者枚舉返回實例。

3.確保實例只有一個,尤其是多線程環境。

4.確保反序列換時不會重新構建對象。

我們常用的單例模式有:

餓漢模式、懶漢模式、雙重鎖懶漢模式、靜態內部類模式、枚舉模式,我們來逐一分析下這些模式的區別。

1.餓漢模式:

  1.  
    public class SingleTon{
  2.  
    private static SingleTon INSTANCE = new SingleTon();
  3.  
    private SingleTon(){}
  4.  
    public static SingleTon getInstance(){ return INSTANCE; }}

餓漢模式在類被初始化時就已經在內存中創建了對象,以空間換時間,故不存在線程安全問題。

2.懶漢模式:

  1.  
    public class SingleTon{
  2.  
    private static SingleTon INSTANCE = null;
  3.  
    private SingleTon(){}
  4.  
    public static SingleTon getInstance() {
  5.  
    if(INSTANCE == null){
  6.  
    INSTANCE = new SingleTon();
  7.  
    }
  8.  
    return INSTANCE;
  9.  
    }
  10.  
    }

懶漢模式在方法被調用后才創建對象,以時間換空間,在多線程環境下存在風險

3.雙重鎖懶漢模式(Double Check Lock)

  1.  
    public class SingleTon{
  2.  
    private static SingleTon INSTANCE = null;
  3.  
    private SingleTon(){}
  4.  
    public static SingleTon getInstance(){ if(INSTANCE == null){
  5.  
    synchronized(SingleTon.class){
  6.  
    if(INSTANCE == null){
  7.  
    INSTANCE = new SingleTon();
  8.  
    }
  9.  
    }
  10.  
    return INSTANCE;
  11.  
    }
  12.  
    }
  13.  
    }

 

DCL模式的優點就是,只有在對象需要被使用時才創建,第一次判斷 INSTANCE == null為了避免非必要加鎖,當第一次加載時才對實例進行加鎖再實例化。這樣既可以節約內存空間,又可以保證線程安全。但是,由於jvm存在亂序執行功能,DCL也會出現線程不安全的情況。具體分析如下:

 

 

INSTANCE  = new SingleTon(); 
 

這個步驟,其實在jvm里面的執行分為三步:

          1.在堆內存開辟內存空間。
  2.在堆內存中實例化SingleTon里面的各個參數。
  3.把對象指向堆內存空間。

由於jvm存在亂序執行功能,所以可能在2還沒執行時就先執行了3,如果此時再被切換到線程B上,由於執行了3,INSTANCE 已經非空了,會被直接拿出來用,這樣的話,就會出現異常。這個就是著名的DCL失效問題

不過在JDK1.5之后,官方也發現了這個問題,故而具體化了volatile,即在JDK1.6及以后,只要定義為private volatile static SingleTon  INSTANCE = null;就可解決DCL失效問題。volatile確保INSTANCE每次均在主內存中讀取,這樣雖然會犧牲一點效率,但也無傷大雅。

3.靜態內部類模式:

  1.  
    public class SingleTon{
  2.  
    private SingleTon(){}
  3.  
     
  4.  
    private static class SingleTonHoler{
  5.  
    private static SingleTon INSTANCE = new SingleTon();
  6.  
    }
  7.  
     
  8.  
    public static SingleTon getInstance(){
  9.  
    return SingleTonHoler.INSTANCE;
  10.  
    }
  11.  
    }

靜態內部類的優點是:外部類加載時並不需要立即加載內部類,內部類不被加載則不去初始化INSTANCE,故而不占內存。即當SingleTon第一次被加載時,並不需要去加載SingleTonHoler,只有當getInstance()方法第一次被調用時,才會去初始化INSTANCE,第一次調用getInstance()方法會導致虛擬機加載SingleTonHoler類,這種方法不僅能確保線程安全,也能保證單例的唯一性,同時也延遲了單例的實例化。

那么,靜態內部類又是如何實現線程安全的呢?首先,我們先了解下類的加載時機。


類加載時機:JAVA虛擬機在有且僅有的5種場景下會對類進行初始化。
1.遇到new、getstatic、setstatic或者invokestatic這4個字節碼指令時,對應的java代碼場景為:new一個關鍵字或者一個實例化對象時、讀取或設置一個靜態字段時(final修飾、已在編譯期把結果放入常量池的除外)、調用一個類的靜態方法時。
2.使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射調用的時候,如果類沒進行初始化,需要先調用其初始化方法進行初始化。
3.當初始化一個類時,如果其父類還未進行初始化,會先觸發其父類的初始化。
4.當虛擬機啟動時,用戶需要指定一個要執行的主類(包含main()方法的類),虛擬機會先初始化這個類。
5.當使用JDK 1.7等動態語言支持時,如果一個java.lang.invoke.MethodHandle實例最后的解析結果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄,並且這個方法句柄所對應的類沒有進行過初始化,則需要先觸發其初始化。
這5種情況被稱為是類的主動引用,注意,這里《虛擬機規范》中使用的限定詞是"有且僅有",那么,除此之外的所有引用類都不會對類進行初始化,稱為被動引用。靜態內部類就屬於被動引用的行列。

 

我們再回頭看下getInstance()方法,調用的是SingleTonHoler.INSTANCE,取的是SingleTonHoler里的INSTANCE對象,跟上面那個DCL方法不同的是,getInstance()方法並沒有多次去new對象,故不管多少個線程去調用getInstance()方法,取的都是同一個INSTANCE對象,而不用去重新創建。當getInstance()方法被調用時,SingleTonHoler才在SingleTon的運行時常量池里,把符號引用替換為直接引用,這時靜態對象INSTANCE也真正被創建,然后再被getInstance()方法返回出去,這點同餓漢模式。那么INSTANCE在創建過程中又是如何保證線程安全的呢?在《深入理解JAVA虛擬機》中,有這么一句話:

 虛擬機會保證一個類的<clinit>()方法在多線程環境中被正確地加鎖、同步,如果多個線程同時去初始化一個類,那么只會有一個線程去執行這個類的<clinit>()方法,其他線程都需要阻塞等待,直到活動線程執行<clinit>()方法完畢。如果在一個類的<clinit>()方法中有耗時很長的操作,就可能造成多個進程阻塞(需要注意的是,其他線程雖然會被阻塞,但如果執行<clinit>()方法后,其他線程喚醒之后不會再次進入<clinit>()方法。同一個加載器下,一個類型只會初始化一次。),在實際應用中,這種阻塞往往是很隱蔽的。

故而,可以看出INSTANCE在創建過程中是線程安全的,所以說靜態內部類形式的單例可保證線程安全,也能保證單例的唯一性,同時也延遲了單例的實例化。

那么,是不是可以說靜態內部類單例就是最完美的單例模式了呢?其實不然,靜態內部類也有着一個致命的缺點,就是傳參的問題,由於是靜態內部類的形式去創建單例的,故外部無法傳遞參數進去,例如Context這種參數,所以,我們創建單例時,可以在靜態內部類與DCL模式里自己斟酌。

最后粗略的介紹下枚舉類型的單例吧。

枚舉單例:

  1.  
    public enum SingleTon{
  2.  
    INSTANCE;
  3.  
    public void method(){
  4.  
    //TODO
  5.  
    }
  6.  
    }

枚舉在java中與普通類一樣,都能擁有字段與方法,而且枚舉實例創建是線程安全的,在任何情況下,它都是一個單例。我們可直接以

SingleTon.INSTANCE
 

的方式調用。

參考資料:
《深入理解JAVA虛擬機》
《Android源碼設計模式解析與實戰》
《java虛擬機規范》

 

 

 


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