[Java]再次探讨Java单例

2017-12-09 本文已影响19人 DrunkPian0

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从前在读Effective Java的时候，第一篇的Item 1:使用静态工厂方法而不是构造器
的静态工厂方法，其实就是单例。里面列举了单例的几个优点，比如可以自己取名字，简洁，不用每次创建对象等等。最近看了小灰的公众号又探讨了单例，所以再次学习一下。

0x01 单例的种类

虽然实现起来可以多种多样(比如用HashMap..，其实单例就是一种缓存思想的体现)，但是单例一共可以分为两类，也就是网上取的很土的名字，饿汉和懒汉。前者是空间换时间，也就是在类初始化阶段就创建对象；后者是时间换空间，在用的时候检查对象是否为空。具体实现就不贴出来了，脑补一下吧。

0x02 线程安全

饿汉是线程安全的。在类被初始化的时候就创建对象，外界的线程还没有开始竞争getInstance，当然也就不会重复初始化。

既然饿汉是线程安全的，跟懒汉的性能差距到底在哪？我是这样想的：
比如两个线程同时调用一个类的getInstance方法，这个类还没有被加载的话，是要经历类的加载的一系列流程(编译，链接，准备，初始化等)加载到内存中去的，静态的instance会保存在Java虚拟机的方法区(Method Area)作为永久代，永久代是基本不会涉及GC的，持续到进程结束都会有这个静态变量存在。

懒汉式是典型的时间换空间，也就是每次获取实例都会进行判断，看是否需要创建实例，费判断的时间，当然，如果一直没有人使用的话，那就不会创建实例，节约内存空间。

懒汉式不是线程安全的，因为两个线程可能同时走到if(mInstance == null)这个语句，会导致重复创建instance。

0x03 如何保证懒汉式单例的线程安全

- APPROACH 1: 给整个getInstance方法加上同步锁，synchronized关键字

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

缺点是，同步是需要开销的，因为多数情况，instance是不为null的，只要不是第一次初始化，都只有最后一行 return instance会被执行，每次都同步太浪费了。

- APPROACH 2: DCL(Double Checking Lock)双重检测加锁

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

如果instance还没有初始化，会进入第一重if的body里面，这时候就要同步了，防止重复创建实例。

第二个if的作用是，~~如果后执行的线程在synchronized语句那里等着了，先执行的线程去创建对象了，这时候对象就不为空了，那后进来的线程就没必要再创建一次对象了。~~

为什么要使用volatile 修饰instance？
主要在于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
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）。
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。

要格外注意的是volatile关键字。如果不加volatile，编译器在编译阶段会把内层的if语句去掉(这样一来synchronized也不起作用了)，因为编译器是不负责线程安全的。但是加了volatile等于告诉编译器，instance是随时可变的，编译的时候就不会把内层if去掉了。

Volatile的两个语义

volatile是JVM提供的最轻量级的同步方式。
当一个变量定义成volatile之后，它将具备两种特性：
1. 第一是保证此变量对所有线程的立即可见性。
这里突出一个立即可见，修改对所有线程是立即可见的。
这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其它线程是可以立即得知的！
普通变量做不到这一点。普通变量的变量值在线程间传递，需要通过主内存来完成，如：线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作，新变量的值才会对线程B可见。

但是，使用volatile并不代表线程安全，深入理解Java虚拟机的书上举了例子，起20个线程，对一个static变量int race进行自增，每个线程执行1000次，最后发现每次执行结果都不一样，但都小于预期的20000次。这是因为，race++在字节码会分为4条指令来执行：

race++对应的4条指令

所以当getstatic取race的时候，volatile保证它是正确的，但是执行iconst_1和iadd的时候，其他线程可能已经执行完了putstatic，这时候再putstatic，就会把较小的值同步回主内存去。

由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下条件规则的去处场景中，仍然需要通过加锁来保证原子性。
1.运算结果不依赖变量的当前值，或者能确保只有单一的线程改变变量的值。
2.变量不需要与其它的状态变量共同参与不变约束。

2. 第二个语义是禁止指令重排优化(或说，保证原子性)。
指令重排是指CPU允许将指令不按程序规定的顺序分开发送给相应的电路单元处理。比如A + 10然后再乘以2，B+3，那么B的操作与A是无关的，可以插入到A+10后面处理。
volatile保证了指令的顺序执行。
下面一段是抄的(我发先这段被很多地方抄了，比如程序员小灰..)：

指令重排序是为了优化指令，提高程序运行效率。指令重排序包括编译器重排序和运行时重排序。JVM规范规定，指令重排序可以在不影响单线程程序执行结果前提下进行。

下面两段也是抄的，把double/long/reference的原子性和指令重排解释得非常好：

原子性针对一个long或者double或者一个引用类型，对于引用类型，原子性是指在new实例的过程中，不会被其他线程取到，即不会被其他线程取到一个不完整的实例。这种原子性可以理解为new的过程处于一个synchronize段的set方法中，只有set结束才可以被get到，即new的整个过程都是处于set中的。也可以理解为指令重排序，禁止把new过程的指令与把引用赋值给变量的语句重排序，赋值只发生在new结束之后。

long和double型变量，通常需要分两步读写一个double变量，volatile修饰的double可以保证对一个double变量的操作的两部分不会被多线程插入。以及对引用类型赋值的，new一个实例的过程不会被其他线程插入（new在编译指令中是分成几步执行的，防止这几步在执行过程中被其他线程取这个变量值，取到一个不完整的实例）

例如 instance = new Singleton() 可分解为如下伪代码：

memory = allocate();   //1：分配对象的内存空间  
ctorInstance(memory);  //2：初始化对象  
instance = memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址

指令重排：

memory = allocate();   //1：分配对象的内存空间  
instance = memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址  
                       //注意，此时对象还没有被初始化！  
ctorInstance(memory);  //2：初始化对象

将第2步和第3步调换顺序，在单线程情况下不会影响程序执行的结果，但是在多线程情况下就不一样了。线程A执行了instance = memory（这对另一个线程B来说是可见的），此时线程B执行外层 if (instance == null)，发现instance不为空，随即返回，但是得到的却是未被完全初始化的实例，在使用的时候必定会有风险，这正是双重检查锁定的问题所在（不使用volatile的情况下）！

0x05 静态内部类实现单例(懒加载)

除了懒汉和饿汉，这是第三种单例，是前面两种的结合。

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

我这里把instance写成final的，我也看到有些blog上没把它写成final，查了下，是因为类的加载过程是线程安全的。
加载类的时候，静态内部类不会被加载。静态内部类不持有外部类的引用。这相当于懒汉，不会占用内存。调用getInstance的时候，会加载静态内部类，同时初始化实例。这相当于饿汉，也是线程安全的。相当于用静态内部类替代synchronized。

总结，上面讲了三种线程安全的单例：

提前初始化(饿汉)。
双重检查锁定 + volatile。
延迟初始化占位类模式。

0x06 反射打破单例

单例的前提是构造函数是private的，这样外面才不能new，只能get。但是如果用反射，可以获取构造器。
利用反射打破单例：

//获得构造器
Constructor con = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
//设置为可访问
con.setAccessible(true);
//构造两个不同的对象
Singleton singleton1 = (Singleton)con.newInstance();
Singleton singleton2 = (Singleton)con.newInstance();
//验证是否是不同对象
System.out.println(singleton1.equals(singleton2));

最后的equals判断，结果肯定是false了。

解决方法是使用Enum。

public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;
}

（这部分程序员小灰写的好像不太对，他忘了把私有构造方法写进去了。他想表达的就是，普通class的构造方法，即便写成private，也是可以反射得到的，而Enum的构造器，在反射的时候会报错。）
Enum语法糖，JVM会阻止反射获取枚举类的私有构造方法。
缺点是枚举类不是懒加载的（这一点我不太懂）。

Ref:
http://blog.csdn.net/zhangzeyuaaa/article/details/42673245
http://blog.sina.com.cn/s/blog_6b6468720100kpif.html
https://www.cnblogs.com/guangshan/p/4977542.html（原子性）
http://blog.csdn.net/bjweimengshu/article/details/78706873