Android 架構(gòu)師之路 目錄

前言

Java中單例(Singleton)模式是一種廣泛使用的設(shè)計(jì)模式。單例模式的主要作用是保證在Java程序中，某個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例存在。一些管理器和控制器常被設(shè)計(jì)成單例模式。
單例模式有很多好處，它能夠避免實(shí)例對(duì)象的重復(fù)創(chuàng)建，不僅可以減少每次創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)間開(kāi)銷，還可以節(jié)約內(nèi)存空間；能夠避免由于操作多個(gè)實(shí)例導(dǎo)致的邏輯錯(cuò)誤。如果一個(gè)對(duì)象有可能貫穿整個(gè)應(yīng)用程序，而且起到了全局統(tǒng)一管理控制的作用，那么單例模式也許是一個(gè)值得考慮的選擇。

1、單例模式UML類圖

單例模式UML類圖

2、單例模式的八種寫(xiě)法

2.1餓漢模式

顧名思義，餓漢法就是在第一次引用該類的時(shí)候就創(chuàng)建對(duì)象實(shí)例，而不管實(shí)際是否需要?jiǎng)?chuàng)建。代碼如下：

public class Singleton {   
    private static Singleton = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static getSignleton(){
        return singleton;
    }
}

這樣做的好處是編寫(xiě)簡(jiǎn)單，但是無(wú)法做到延遲創(chuàng)建對(duì)象。但是我們很多時(shí)候都希望對(duì)象可以盡可能地延遲加載，從而減小負(fù)載，所以就需要下面的懶漢法。

2.2 餓漢模式變種

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

表面上看起來(lái)差別挺大，其實(shí)上面那種差不多，都是在類初始化即實(shí)例化instance。.

2.3不加鎖懶漢模式(線程不安全)

懶漢模式中單例是在需要的時(shí)候才去創(chuàng)建的，如果單例已經(jīng)創(chuàng)建，再次調(diào)用獲取接口將不會(huì)重新創(chuàng)建新的對(duì)象，而是直接返回之前創(chuàng)建的對(duì)象。如果某個(gè)單例使用的次數(shù)少，并且創(chuàng)建單例消耗的資源較多，那么就需要實(shí)現(xiàn)單例的按需創(chuàng)建，這個(gè)時(shí)候使用懶漢模式就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。但是這里的懶漢模式并沒(méi)有考慮線程安全問(wèn)題，在多個(gè)線程可能會(huì)并發(fā)調(diào)用它的getInstance()方法，就有很大可能導(dǎo)致重復(fù)創(chuàng)建對(duì)象。

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if(singleton == null) singleton = new Singleton();
        return singleton;
    }
}

2.4加鎖懶漢模式（線程安全，但是耗時(shí)）

這種寫(xiě)法考慮了線程安全，將對(duì)singleton的null判斷以及new的部分使用synchronized進(jìn)行加鎖。同時(shí)，對(duì)singleton對(duì)象使用volatile關(guān)鍵字進(jìn)行限制，保證其對(duì)所有線程的可見(jiàn)性，并且禁止對(duì)其進(jìn)行指令重排序優(yōu)化。如此即可從語(yǔ)義上保證這種單例模式寫(xiě)法是線程安全的。但是每次通過(guò)getInstance方法得到singleton實(shí)例的時(shí)候都有一個(gè)試圖去獲取同步鎖的過(guò)程。而眾所周知，加鎖是很耗時(shí)的，對(duì)高并發(fā)操作很不友好。

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

2.5雙重校驗(yàn)鎖( 兼顧線程安全和效率的寫(xiě)法)

雖然上面這種寫(xiě)法是可以正確運(yùn)行的，但是其效率低下，還是無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。因?yàn)槊看握{(diào)用getSingleton()方法，都必須在synchronized這里進(jìn)行排隊(duì)，而真正遇到需要new的情況是非常少的。所以，就誕生了第三種寫(xiě)法：

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

這種寫(xiě)法被稱為“雙重檢查鎖”，顧名思義，就是在getSingleton()方法中，進(jìn)行兩次null檢查?？此贫啻艘慌e，但實(shí)際上卻極大提升了并發(fā)度，進(jìn)而提升了性能。為什么可以提高并發(fā)度呢？就像上文說(shuō)的，在單例中new的情況非常少，絕大多數(shù)都是可以并行的讀操作。因此在加鎖前多進(jìn)行一次null檢查就可以減少絕大多數(shù)的加鎖操作，執(zhí)行效率提高的目的也就達(dá)到了。

該種寫(xiě)法存在Java低版本中的問(wèn)題

內(nèi)存模型

那么，這種寫(xiě)法是不是絕對(duì)安全呢？前面說(shuō)了，從語(yǔ)義角度來(lái)看，并沒(méi)有什么問(wèn)題。但是其實(shí)還是有坑。說(shuō)這個(gè)坑之前我們要先來(lái)看看volatile這個(gè)關(guān)鍵字。其實(shí)這個(gè)關(guān)鍵字有兩層語(yǔ)義。第一層語(yǔ)義相信大家都比較熟悉，就是可見(jiàn)性?？梢?jiàn)性指的是在一個(gè)線程中對(duì)該變量的修改會(huì)馬上由工作內(nèi)存（Work Memory）寫(xiě)回主內(nèi)存（Main Memory），所以會(huì)馬上反應(yīng)在其它線程的讀取操作中。順便一提，工作內(nèi)存和主內(nèi)存可以近似理解為實(shí)際電腦中的高速緩存和主存，工作內(nèi)存是線程獨(dú)享的，主存是線程共享的。volatile的第二層語(yǔ)義是禁止指令重排序優(yōu)化。大家知道我們寫(xiě)的代碼（尤其是多線程代碼），由于編譯器優(yōu)化，在實(shí)際執(zhí)行的時(shí)候可能與我們編寫(xiě)的順序不同。編譯器只保證程序執(zhí)行結(jié)果與源代碼相同，卻不保證實(shí)際指令的順序與源代碼相同。這在單線程看起來(lái)沒(méi)什么問(wèn)題，然而一旦引入多線程，這種亂序就可能導(dǎo)致嚴(yán)重問(wèn)題。volatile關(guān)鍵字就可以從語(yǔ)義上解決這個(gè)問(wèn)題。

例如，考慮下面的事件序列：

1. 線程A發(fā)現(xiàn)變量沒(méi)有被初始化, 然后它獲取鎖并開(kāi)始變量的初始化。
2. 由于某些編程語(yǔ)言的語(yǔ)義，編譯器生成的代碼允許在線程A執(zhí)行完變量的初始化之前，更新變量并將其指向部分初始化的對(duì)象。
3. 線程B發(fā)現(xiàn)共享變量已經(jīng)被初始化，并返回變量。由于線程B確信變量已被初始化，它沒(méi)有獲取鎖。如果在A完成初始化之前共享變量對(duì)B可見(jiàn)（這是由于A沒(méi)有完成初始化或者因?yàn)橐恍┏跏蓟闹颠€沒(méi)有穿過(guò)B使用的內(nèi)存(緩存一致性)），程序很可能會(huì)崩潰。

Symantec JIT 編譯 singletons[i].reference = new Singleton(); 這段代碼時(shí)，如果不加volatile關(guān)鍵詞，會(huì)生成如下字節(jié)碼：

0206106A   mov         eax,0F97E78h
0206106F   call        01F6B210                  ; allocate space for
                                                 ; Singleton, return result in eax
02061074   mov         dword ptr [ebp],eax       ; EBP is &singletons[i].reference 
                                                ; store the unconstructed object here.
02061077   mov         ecx,dword ptr [eax]       ; dereference the handle to
                                                 ; get the raw pointer
02061079   mov         dword ptr [ecx],100h      ; Next 4 lines are
0206107F   mov         dword ptr [ecx+4],200h    ; Singleton's inlined constructor
02061086   mov         dword ptr [ecx+8],400h
0206108D   mov         dword ptr [ecx+0Ch],0F84030h

可以看到，在執(zhí)行Singleton的構(gòu)造函數(shù)之前，Singleton的新實(shí)例就被賦值給了singletons[i].reference，這在Java內(nèi)存模型中是完全合法的。

注意，前面反復(fù)提到“從語(yǔ)義上講是沒(méi)有問(wèn)題的”，但是很不幸，禁止指令重排優(yōu)化這條語(yǔ)義直到j(luò)dk1.5以后才能正確工作。此前的JDK中即使將變量聲明為volatile也無(wú)法完全避免重排序所導(dǎo)致的問(wèn)題。所以，在jdk1.5版本前，雙重檢查鎖形式的單例模式是無(wú)法保證線程安全的。

2.6 靜態(tài)內(nèi)部類法(推薦)

那么，有沒(méi)有一種延時(shí)加載，并且能保證線程安全的簡(jiǎn)單寫(xiě)法呢？我們可以把Singleton實(shí)例放到一個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類中，這樣就避免了靜態(tài)實(shí)例在Singleton類加載的時(shí)候就創(chuàng)建對(duì)象，并且由于靜態(tài)內(nèi)部類只會(huì)被加載一次，所以這種寫(xiě)法也是線程安全的：

public class Singleton {
    private static class Holder {
        private static Singleton singleton = new Singleton();
    }
 
    private Singleton(){}
 
    public static Singleton getSingleton(){
        return Holder.singleton;
    }
}

但是，上面提到的所有實(shí)現(xiàn)方式都有兩個(gè)共同的缺點(diǎn)：

• 都需要額外的工作(Serializable、transient、readResolve())來(lái)實(shí)現(xiàn)序列化，否則每次反序列化一個(gè)序列化的對(duì)象實(shí)例時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例。
• 可能會(huì)有人使用反射強(qiáng)行調(diào)用我們的私有構(gòu)造器（如果要避免這種情況，可以修改構(gòu)造器，讓它在創(chuàng)建第二個(gè)實(shí)例的時(shí)候拋異常）。

2.7 枚舉寫(xiě)法

當(dāng)然，還有一種更加優(yōu)雅的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)單例模式，那就是枚舉寫(xiě)法：

    public  class Resource{
    }

    public enum SomeThing {
        INSTANCE;
        private Resource instance;
        SomeThing() {
            instance = new Resource();
        }
        public Resource getInstance() {
            return instance;
        }
    }

調(diào)用

    Resource resource = SomeThing.INSTANCE.getInstance();

使用枚舉除了線程安全和防止反射強(qiáng)行調(diào)用構(gòu)造器之外，還提供了自動(dòng)序列化機(jī)制，防止反序列化的時(shí)候創(chuàng)建新的對(duì)象。因此，Effective Java推薦盡可能地使用枚舉來(lái)實(shí)現(xiàn)單例。

2.8 容器實(shí)現(xiàn)單例模式

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class Singleton {
    private static Map<String, Object> objMap = new HashMap<String, Object>();

    private Singleton() {
    }

    public static void registerService(String key, Object instance) {
        if (!objMap.containsKey(key)) {
            objMap.put(key, instance);
        }
    }

    public static Object getService(String key) {
        return objMap.get(key);
    }
}

這種實(shí)現(xiàn)方式使得我們可以管理多種類型的單例，并且在使用時(shí)可以通過(guò)統(tǒng)一接口進(jìn)行獲取操作，降低用戶使用成本，也對(duì)用戶隱藏了具體實(shí)現(xiàn)，降低耦合度。

3 、單例模式在Android源碼中應(yīng)用

第三方 ImageLoader（通過(guò)源碼分析，得到單例模式中雙重檢測(cè)方案）
LayoutInflater 單例模式通過(guò)容器進(jìn)行管理
LayoutInflater 源碼分析 WindowManager、ActivityManager、PowerManager都是容器管理

總結(jié)

代碼沒(méi)有一勞永逸的寫(xiě)法，只有在特定條件下最合適的寫(xiě)法。在不同的平臺(tái)、不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境（尤其是jdk版本）下，自然有不同的最優(yōu)解（或者說(shuō)較優(yōu)解）。
比如枚舉，雖然Effective Java中推薦使用，但是在Android平臺(tái)上卻是不被推薦的。在這篇Android Training中明確指出：

Enums often require more than twice as much memory as static constants. You should strictly avoid using enums on Android.

再比如雙重檢查鎖法，不能在jdk1.5之前使用，而在Android平臺(tái)上使用就比較放心了（一般Android都是jdk1.6以上了，不僅修正了volatile的語(yǔ)義問(wèn)題，還加入了不少鎖優(yōu)化，使得多線程同步的開(kāi)銷降低不少）。

最后，不管采取何種方案，請(qǐng)時(shí)刻牢記單例的三大要點(diǎn)：

• 線程安全
• 延遲加載
• 序列化與反序列化安全

特別感謝：

吃桔子的攻城獅