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浅议单例模式之线程安全

作者： 远航的兵 时间：2013-01-30

[摘要] 单例模式是一种常见的设计模式，在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。正是由于这个特点，单例对象通常作为程序中的存放配置信息的载体，因为它能保证其他对象读到一致的信息。这种方式只需访问该单例对象即可达到统一但是在多线程环境下，但是随着应用场景的不同，也可能带来一些同步问题。　　
本文将探讨一下在多线程环境下，使用单例对象时可能会带来的同步问题，并给出可选的解决办法。

[关键字] Java 设计模式 单例 线程 同步 双重检查锁

[概念]
单例模式分类：懒汉式单例、饿汉式单例两种。

单例模式特点：
　　1、单例类只能有一个实例,且声明私有构造方法
　　2、单例类必须自己创建自己的唯一实例
　　3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例
单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例

[问题描述]
面试的时候，大家也许会被问到这样一个问题：请您写出一个单例模式（Singleton Pattern） ，当然都感觉比较简单，代码如下：
/**
* 演示单例模式之饥饿模式
* @author Administrator
*
*/
public class EagerSingleton
{
private static EagerSingleton instance=new EagerSingleton();

private EagerSingleton()
{
}
public static EagerSingleton getSingleInstance()
{
return instance;
}
}

这种写法就是所谓的饥饿模式，每个对象在没有使用之前就已经初始化了。这就可能带来潜在的性能问题：如果这个对象很大呢？没有使用这个对象之前，就把它加载到了内存中去是一种巨大的浪费。针对这种情况，我们可以对以上的代码进行改进，使用一种新的设计思想——延迟加载（Lazy-load Singleton）。

/**
* 演示单例模式之懒汉模式
* @author Administrator
*
*/
public class LazySingleton {

private static LazySingleton instance;
private LazySingleton()
{

}

public static LazySingleton getSingleInstance()
{
if (instance == null)
{
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}

这种写法就是所谓的懒汉模式。它使用了延迟加载来保证对象在没有使用之前，是不会进行初始化的。但是，通常这个时候面试官又会提问新的问题来刁难一下。他会问：这种写法线程安全吗？回答必然是：不安全。
测试结果：

这是因为在多个线程可能同时运行到判断instance 为null，于是同时进行了初始化。所以，这是面临的问题是如何使得这个代码线程安全？很简单，在那个方法前面加一个Synchronized就OK了。

/**
* 演示单例模式之线程安全
* @author Administrator
*
*/
public class ThreadSafeSingleton
{
private static ThreadSafeSingleton instance;

private ThreadSafeSingleton()
{
}
public static synchronized ThreadSafeSingleton getSingleInstance()
{
if (instance == null)
{
instance = new ThreadSafeSingleton();
}
return instance;
}
}

写到这里，面试官可能仍然会狡猾的看了你一眼，继续刁难到：这个写法有没有什么性能问题呢？答案肯定是有的！同步的代价必然会一定程度的使程序的并发度降低。那么有没有什么方法，一方面是线程安全的，有可以有很高的并发度呢？我们观察到，线程不安全的原因其实是在初始化对象的时候，所以，可以想办法把同步的粒度降低，只在初始化对象的时候进行同步。

[解决方案]

这里有必要提出一种新的设计思想——双重检查锁（Double-Checked Lock）。

/**
* 演示单例模式之双重锁定
* @author Administrator
*
*/
public class DoubleCheckedSingleton {

private static DoubleCheckedSingleton instance;
private DoubleCheckedSingleton()
{

}
public static synchronized DoubleCheckedSingleton getSingleInstance()
{
//性能改进——双重锁定： Double-Check Locking
if(instance==null) // 1. 先判断
{
synchronized (DoubleCheckedSingleton.class) // 2. 再同步
{
if (instance == null) //3. 再判断
{
instance = new DoubleCheckedSingleton(); //4. 实例化
}
}
}
return instance;
}
}

这种写法使得只有在加载新的对象进行同步，在加载完了之后，其他线程就可以判断当前实例对象是否为空，如非空，并跳过锁的的代价直接返回当前单例对象了。做到很好的并发度。
至此，上面的写法一方面实现了Lazy-Load，另一个方面也做到了并发度很好的线程安全，一切看上很完美。
这是，面试官可能会对你的回答满意的点点头。

但是，当你此时提出说，其实这种写法还是有问题的！面试官也许会对你刮目相看！！

问题在哪里？假设线程A执行到调用上述getSingleInstance()方法，它判断对象为空，于是线程A执行下面初始化这个对象，但初始化是需要耗费时间的，但是这个对象的地址其实已经存在了。此时如果线程B也执行调用上述getSingleInstance()方法，它判断不为空，于是直接跳到最后，返回得到了这个对象。但是，这个对象还没有被完整的初始化！得到一个没有彻底初始化完全的对象有什么用！！
关于这个Double-Checked Lock的讨论有很多，目前公认这是一个Anti-Pattern(即：反面模式)，不推荐使用！所以当这个面试官听到你的这番答复，他会不会被Hold不住呢？

那么有没有什么更好的写法呢？
有！这里又要提出一种新的模式——Initialization on Demand Holder. 这种方法使用内部类来做到延迟加载对象，在初始化这个内部类的时候，JLS(Java Language Sepcification)会保证这个类的线程安全。这种写法最大的巧妙在于，完全使用了Java虚拟机的机制进行同步保证，没有一个同步的关键字。
/**
* 演示单例模式之完美实现
* @author Administrator
*
*/
public class Singleton
{
private Singleton()
{
}
private static class SingletonHolder
{
public final static Singleton instance = new Singleton();
}

public static Singleton getInstance()
{
return SingletonHolder.instance;
}
}
测试结果：
单个线程

多线程

至此，单例模式以及线程安全，我们做了一个系统的比较，希望对你有所帮助！
[参考链接]
Double-Checked Lock ：
http://en.wikipedia.org/wiki/Double-checked_locking
Initialzation on Demand Holder ：
http://en.wikipedia.org/wiki/Initialization_on_demand_holder_idiom

作者联系方式：
Email：navystar@