单实例Singleton设计模式可能是被讨论和使用的最广泛的一个设计模式了,这可能也是面试中问得最多的一个设计模式了。这个设计模式主要目的是想在整个系统中只能出现一个类的实例。这样做当然是有必然的,比如你的软件的全局配置信息,或者是一个Factory,或是一个主控类,等等。你希望这个类在整个系统中只能出现一个实例。当然,作为一个技术负责人的你,你当然有权利通过使用非技术的手段来达到你的目的。比如:你在团队内部明文规定,“XX类只能有一个全局实例,如果某人使用两次以上,那么该人将被处于2000元的罚款!”(呵呵),你当然有权这么做。但是如果你的设计的是东西是一个类库,或是一个需要提供给用户使用的API,恐怕你的这项规定将会失效。因为,你无权要求别人会那么做。所以,这就是为什么,我们希望通过使用技术的手段来达成这样一个目的的原因。

  本文会带着你深入整个Singleton的世界,当然,我会放弃使用C++语言而改用Java语言,因为使用Java这个语言可能更容易让我说明一些事情。

  Singleton的教学版本

  这里,我将直接给出一个Singleton的简单实现,因为我相信你已经有这方面的一些基础了。我们姑且把这个版本叫做1.0版

Java代码
  1. // version 1.0  
  2. public class Singleton {  
  3.     private static Singleton singleton = null;  
  4.     private Singleton() {  }  
  5.     public static Singleton getInstance() {  
  6.         if (singleton== null) {  
  7.             singleton= new Singleton();  
  8.         }  
  9.         return singleton;  
  10.     }  
  11. }  

  在上面的实例中,我想说明下面几个Singleton的特点:(下面这些东西可能是尽人皆知的,没有什么新鲜的)

  1. 私有(private)的构造函数,表明这个类是不可能形成实例了。这主要是怕这个类会有多个实例。

  2. 即然这个类是不可能形成实例,那么,我们需要一个静态的方式让其形成实例:getInstance()。注意这个方法是在new自己,因为其可以访问私有的构造函数,所以他是可以保证实例被创建出来的。

  3. 在getInstance()中,先做判断是否已形成实例,如果已形成则直接返回,否则创建实例。

  4. 所形成的实例保存在自己类中的私有成员中。

  5. 我们取实例时,只需要使用Singleton.getInstance()就行了。

  当然,如果你觉得知道了上面这些事情后就学成了,那得给你当头棒喝一下了,事情远远没有那么简单。

  Singleton的实际版本

  上面的这个程序存在比较严重的问题,因为是全局性的实例,所以,在多线程情况下,所有的全局共享的东西都会变得非常的危险,这个也一样,在多线程情况下,如果多个线程同时调用getInstance()的话,那么,可能会有多个进程同时通过 (singleton== null)的条件检查,于是,多个实例就创建出来,并且很可能造成内存泄露问题。嗯,熟悉多线程的你一定会说——“我们需要线程互斥或同步”,没错,我们需要这个事情,于是我们的Singleton升级成1.1版,如下所示:

Java代码
  1. // version 1.1  
  2. public class Singleton  
  3. {  
  4.     private static Singleton singleton = null;  
  5.     private Singleton() {  }  
  6.     public static Singleton getInstance() {  
  7.         if (singleton== null) {  
  8.             synchronized (Singleton.class) {  
  9.                 singleton= new Singleton();  
  10.             }  
  11.         }  
  12.         return singleton;  
  13.     }  
  14. }  

  嗯,使用了Java的synchronized方法,看起来不错哦。应该没有问题了吧?!错!这还是有问题!为什么呢?前面已经说过,如果有多个线程同时通过(singleton== null)的条件检查(因为他们并行运行),虽然我们的synchronized方法会帮助我们同步所有的线程,让我们并行线程变成串行的一个一个去new,那不还是一样的吗?同样会出现很多实例。嗯,确实如此!看来,还得把那个判断(singleton== null)条件也同步起来。于是,我们的Singleton再次升级成1.2版本,如下所示:

Java代码
  1. // version 1.2  
  2. public class Singleton  
  3. {  
  4.     private static Singleton singleton = null;  
  5.     private Singleton()  {  }  
  6.     public static Singleton getInstance()  {  
  7.         synchronized (Singleton.class) {  
  8.             if (singleton== null) {  
  9.         singleton= new Singleton();  
  10.             }  
  11.          }  
  12.         return singleton;  
  13.     }  
  14. }  

  不错不错,看似很不错了。在多线程下应该没有什么问题了,不是吗?的确是这样的,1.2版的Singleton在多线程下的确没有问题了,因为我们同步了所有的线程。只不过嘛……,什么?!还不行?!是的,还是有点小问题,我们本来只是想让new这个操作并行就可以了,现在,只要是进入getInstance()的线程都得同步啊,注意,创建对象的动作只有一次,后面的动作全是读取那个成员变量,这些读取的动作不需要线程同步啊。这样的作法感觉非常极端啊,为了一个初始化的创建动作,居然让我们达上了所有的读操作,严重影响后续的性能啊!

  还得改!嗯,看来,在线程同步前还得加一个(singleton== null)的条件判断,如果对象已经创建了,那么就不需要线程的同步了。OK,下面是1.3版的Singleton。

Java代码
  1. // version 1.3  
  2. public class Singleton  
  3. {  
  4.     private static Singleton singleton = null;  
  5.     private Singleton()  {    }  
  6.     public static Singleton getInstance() {  
  7.         if (singleton== null)  {  
  8.             synchronized (Singleton.class) {  
  9.                 if (singleton== null)  {  
  10.                     singleton= new Singleton();  
  11.                 }  
  12.             }  
  13.         }  
  14.         return singleton;  
  15.     }  
  16. }  

  感觉代码开始变得有点罗嗦和复杂了,不过,这可能是最不错的一个版本了,这个版本又叫“双重检查”Double-Check。下面是说明:

  1. 第一个条件是说,如果实例创建了,那就不需要同步了,直接返回就好了。

  2. 不然,我们就开始同步线程。

  3. 第二个条件是说,如果被同步的线程中,有一个线程创建了对象,那么别的线程就不用再创建了。

  相当不错啊,干得非常漂亮!请大家为我们的1.3版起立鼓掌!

  但是,如果你认为这个版本大攻告成,你就错了。

  主要在于singleton = 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 singleton 分配内存

  2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量,形成实例

  3. 将singleton对象指向分配的内存空间(执行完这步 singleton才是非 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。

  对此,我们只需要把singleton声明成 volatile 就可以了。下面是1.4版:

Java代码
  1. // version 1.4  
  2. public class Singleton  
  3. {  
  4.     private volatile static Singleton singleton = null;  
  5.     private Singleton()  {    }  
  6.     public static Singleton getInstance()   {  
  7.         if (singleton== null)  {  
  8.             synchronized (Singleton.class) {  
  9.                 if (singleton== null)  {  
  10.                     singleton= new Singleton();  
  11.                 }  
  12.             }  
  13.         }  
  14.         return singleton;  
  15.     }  
  16. }  

  使用 volatile 有两个功用:

  1)这个变量不会在多个线程中存在复本,直接从内存读取。

  2)这个关键字会禁止指令重排序优化。也就是说,在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障(生成的汇编代码上),读操作不会被重排序到内存屏障之前。

  但是,这个事情仅在Java 1.5版后有用,1.5版之前用这个变量也有问题,因为老版本的Java的内存模型是有缺陷的。

  Singleton 的简化版本

  上面的玩法实在是太复杂了,一点也不优雅,下面是一种更为优雅的方式:

  这种方法非常简单,因为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,所以创建实例本身是线程安全的。

Java代码
  1. // version 1.5  
  2. public class Singleton  
  3. {  
  4.     private volatile static Singleton singleton = new Singleton();  
  5.     private Singleton()  {    }  
  6.     public static Singleton getInstance()   {  
  7.         return singleton;  
  8.     }  
  9. }  

  但是,这种玩法的最大问题是——当这个类被加载的时候,new Singleton() 这句话就会被执行,就算是getInstance()没有被调用,类也被初始化了。

  于是,这个可能会与我们想要的行为不一样,比如,我的类的构造函数中,有一些事可能需要依赖于别的类干的一些事(比如某个配置文件,或是某个被其它类创建的资源),我们希望他能在我第一次getInstance()时才被真正的创建。这样,我们可以控制真正的类创建的时刻,而不是把类的创建委托给了类装载器。

  好吧,我们还得绕一下:

  下面的这个1.6版是老版《Effective Java》中推荐的方式。

Java代码
  1. // version 1.6  
  2. public class Singleton {  
  3.     private static class SingletonHolder {  
  4.         private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
  5.     }  
  6.     private Singleton (){}  
  7.     public static final Singleton getInstance() {  
  8.         return SingletonHolder.INSTANCE;  
  9.     }  
  10. }  

  上面这种方式,仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题;由于 SingletonHolder 是私有的,除了 getInstance() 之外没有办法访问它,因此它只有在getInstance()被调用时才会真正创建;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。

  Singleton 优雅版本

Java代码
  1. public enum Singleton{  
  2.    INSTANCE;  
  3. }  

  居然用枚举!!看上去好牛逼,通过EasySingleton.INSTANCE来访问,这比调用getInstance()方法简单多了。

  默认枚举实例的创建是线程安全的,所以不需要担心线程安全的问题。但是在枚举中的其他任何方法的线程安全由程序员自己负责。还有防止上面的通过反射机制调用私用构造器。

  这个版本基本上消除了绝大多数的问题。代码也非常简单,实在无法不用。这也是新版的《Effective Java》中推荐的模式。

  Singleton的其它问题

  怎么?还有问题?!当然还有,请记住下面这条规则——“无论你的代码写得有多好,其只能在特定的范围内工作,超出这个范围就要出Bug了”,这是“陈式第一定理”,呵呵。你能想一想还有什么情况会让这个我们上面的代码出问题吗?

  在C++下,我不是很好举例,但是在Java的环境下,嘿嘿,还是让我们来看看下面的一些反例和一些别的事情的讨论(当然,有些反例可能属于钻牛角尖,可能有点学院派,不过也不排除其实际可能性,就算是提个醒吧):

  其一、Class Loader。不知道你对Java的Class Loader熟悉吗?“类装载器”?!C++可没有这个东西啊。这是Java动态性的核心。顾名思义,类装载器是用来把类(class)装载进JVM的。JVM规范定义了两种类型的类装载器:启动内装载器(bootstrap)和用户自定义装载器(user-defined class loader)。 在一个JVM中可能存在多个ClassLoader,每个ClassLoader拥有自己的NameSpace。一个ClassLoader只能拥有一个class对象类型的实例,但是不同的ClassLoader可能拥有相同的class对象实例,这时可能产生致命的问题。如ClassLoaderA,装载了类A的类型实例A1,而ClassLoaderB,也装载了类A的对象实例A2。逻辑上讲A1=A2,但是由于A1和A2来自于不同的ClassLoader,它们实际上是完全不同的,如果A中定义了一个静态变量c,则c在不同的ClassLoader中的值是不同的。

  于是,如果咱们的Singleton 1.3版本如果面对着多个Class Loader会怎么样?呵呵,多个实例同样会被多个Class Loader创建出来,当然,这个有点牵强,不过他确实存在。难道我们还要整出个1.4版吗?可是,我们怎么可能在我的Singleton类中操作Class Loader啊?是的,你根本不可能。在这种情况下,你能做的只有是——“保证多个Class Loader不会装载同一个Singleton”。

  其二、序例化。如果我们的这个Singleton类是一个关于我们程序配置信息的类。我们需要它有序列化的功能,那么,当反序列化的时候,我们将无法控制别人不多次反序列化。不过,我们可以利用一下Serializable接口的readResolve()方法,比如:

Java代码
  1. public class Singleton implements Serializable  
  2. {  
  3.     ......  
  4.     ......  
  5.     protected Object readResolve()  
  6.     {  
  7.         return getInstance();  
  8.     }  
  9. }  

  其三、多个Java虚拟机。如果我们的程序运行在多个Java的虚拟机中。什么?多个虚拟机?这是一种什么样的情况啊。嗯,这种情况是有点极端,不过还是可能出现,比如EJB或RMI之流的东西。要在这种环境下避免多实例,看来只能通过良好的设计或非技术来解决了。

  其四,volatile变量。关于volatile这个关键字所声明的变量可以被看作是一种 “程度较轻的同步synchronized”;与 synchronized 块相比,volatile 变量所需的编码较少,并且运行时开销也较少,但是它所能实现的功能也仅是synchronized的一部分。当然,如前面所述,我们需要的Singleton只是在创建的时候线程同步,而后面的读取则不需要同步。所以,volatile变量并不能帮助我们即能解决问题,又有好的性能。而且,这种变量只能在JDK 1.5+版后才能使用。

  其五、关于继承。是的,继承于Singleton后的子类也有可能造成多实例的问题。不过,因为我们早把Singleton的构造函数声明成了私有的,所以也就杜绝了继承这种事情。

  其六,关于代码重用。也话我们的系统中有很多个类需要用到这个模式,如果我们在每一个类都中有这样的代码,那么就显得有点傻了。那么,我们是否可以使用一种方法,把这具模式抽象出去?在C++下这是很容易的,因为有模板和友元,还支持栈上分配内存,所以比较容易一些(程序如下所示),Java下可能比较复杂一些,聪明的你知道怎么做吗?

C++代码
  1. template class Singleton  
  2. {  
  3.     public:  
  4.         static T& Instance()  
  5.         {  
  6.             static T theSingleInstance; //假设T有一个protected默认构造函数  
  7.             return theSingleInstance;  
  8.         }  
  9. };  
  10.    
  11. class OnlyOne : public Singleton  
  12. {  
  13.     friend class Singleton;  
  14.     int example_data;  
  15.    
  16.     public:  
  17.         int GetExampleData() const {return example_data;}  
  18.     protected:  
  19.         OnlyOne(): example_data(42) {}   // 默认构造函数  
  20.         OnlyOne(OnlyOne&) {}  
  21. };  
  22.    
  23. int main( )  
  24. {  
  25.     cout << OnlyOne::Instance().GetExampleData() << endl;  
  26.     return 0;  
  27. }
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2017年8月11日
作者:鸡啄米 分类:软件开发 浏览: 注册送白菜网:0