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1. 前言

單例(Singleton)應(yīng)該是開發(fā)者們最熟悉的設(shè)計(jì)模式了，并且好像也是最容易實(shí)現(xiàn)的——基本上每個(gè)開發(fā)者都能夠隨手寫出——但是，真的是這樣嗎？
作為一個(gè)Java開發(fā)者，也許你覺得自己對單例模式的了解已經(jīng)足夠多了。我并不想危言聳聽說一定還有你不知道的——畢竟我自己的了解也的確有限，但究竟你自己了解的程度到底怎樣呢？往下看，我們一起來聊聊看~

2. 什么是單例？

單例對象的類必須保證只有一個(gè)實(shí)例存在——這是維基百科上對單例的定義，這也可以作為對意圖實(shí)現(xiàn)單例模式的代碼進(jìn)行檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

對單例的實(shí)現(xiàn)可以分為兩大類——懶漢式和餓漢式，他們的區(qū)別在于：
懶漢式：指全局的單例實(shí)例在第一次被使用時(shí)構(gòu)建。
餓漢式：指全局的單例實(shí)例在類裝載時(shí)構(gòu)建。

從它們的區(qū)別也能看出來，日常我們使用的較多的應(yīng)該是懶漢式的單例，畢竟按需加載才能做到資源的最大化利用嘛~

3. 懶漢式單例

先來看一下懶漢式單例的實(shí)現(xiàn)方式。

3.1 簡單版本

看最簡單的寫法Version 1：

// Version 1
public class Single1 {
    private static Single1 instance;
    public static Single1 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Single1();
        }
        return instance;
    }
}

或者再進(jìn)一步，把構(gòu)造器改為私有的，這樣能夠防止被外部的類調(diào)用。

// Version 1.1
public class Single1 {
    private static Single1 instance;
    private Single1() {}
    public static Single1 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Single1();
        }
        return instance;
    }
}

我仿佛記得當(dāng)初學(xué)校的教科書就是這么教的？—— 每次獲取instance之前先進(jìn)行判斷，如果instance為空就new一個(gè)出來，否則就直接返回已存在的instance。
這種寫法在大多數(shù)的時(shí)候也是沒問題的。問題在于，當(dāng)多線程工作的時(shí)候，如果有多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行到if (instance == null)，都判斷為null，那么兩個(gè)線程就各自會創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例——這樣一來，就不是單例了。

3.2 synchronized版本

那既然可能會因?yàn)槎嗑€程導(dǎo)致問題，那么加上一個(gè)同步鎖吧！
修改后的代碼如下，相對于Version1.1，只是在方法簽名上多加了一個(gè)synchronized：

// Version 2 
public class Single2 {
    private static Single2 instance;
    private Single2() {}
    public static synchronized Single2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Single2();
        }
        return instance;
    }
}

OK，加上synchronized關(guān)鍵字之后，getInstance方法就會鎖上了。如果有兩個(gè)線程（T1、T2）同時(shí)執(zhí)行到這個(gè)方法時(shí)，會有其中一個(gè)線程T1獲得同步鎖，得以繼續(xù)執(zhí)行，而另一個(gè)線程T2則需要等待，當(dāng)?shù)赥1執(zhí)行完畢getInstance之后（完成了null判斷、對象創(chuàng)建、獲得返回值之后），T2線程才會執(zhí)行執(zhí)行。——所以這端代碼也就避免了Version1中，可能出現(xiàn)因?yàn)槎嗑€程導(dǎo)致多個(gè)實(shí)例的情況。
但是，這種寫法也有一個(gè)問題：給gitInstance方法加鎖，雖然會避免了可能會出現(xiàn)的多個(gè)實(shí)例問題，但是會強(qiáng)制除T1之外的所有線程等待，實(shí)際上會對程序的執(zhí)行效率造成負(fù)面影響。

3.3 雙重檢查（Double-Check）版本

Version2代碼相對于Version1d代碼的效率問題，其實(shí)是為了解決1%幾率的問題，而使用了一個(gè)100%出現(xiàn)的防護(hù)盾。那有一個(gè)優(yōu)化的思路，就是把100%出現(xiàn)的防護(hù)盾，也改為1%的幾率出現(xiàn)，使之只出現(xiàn)在可能會導(dǎo)致多個(gè)實(shí)例出現(xiàn)的地方。
——有沒有這樣的方法呢？當(dāng)然是有的，改進(jìn)后的代碼Vsersion3如下：

// Version 3 
public class Single3 {
    private static Single3 instance;
    private Single3() {}
    public static Single3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Single3.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Single3();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

這個(gè)版本的代碼看起來有點(diǎn)復(fù)雜，注意其中有兩次if (instance == null)的判斷，這個(gè)叫做『雙重檢查 Double-Check』。

• 第一個(gè)if (instance == null)，其實(shí)是為了解決Version2中的效率問題，只有instance為null的時(shí)候，才進(jìn)入synchronized的代碼段——大大減少了幾率。
• 第二個(gè)if (instance == null)，則是跟Version2一樣，是為了防止可能出現(xiàn)多個(gè)實(shí)例的情況。

—— 這段代碼看起來已經(jīng)完美無瑕了。
……
……
……
—— 當(dāng)然，只是『看起來』，還是有小概率出現(xiàn)問題的。
這弄清楚為什么這里可能出現(xiàn)問題，首先，我們需要弄清楚幾個(gè)概念：原子操作、指令重排。

知識點(diǎn)：什么是原子操作？

簡單來說，原子操作（atomic）就是不可分割的操作，在計(jì)算機(jī)中，就是指不會因?yàn)榫€程調(diào)度被打斷的操作。
比如，簡單的賦值是一個(gè)原子操作：

m = 6; // 這是個(gè)原子操作

假如m原先的值為0，那么對于這個(gè)操作，要么執(zhí)行成功m變成了6，要么是沒執(zhí)行m還是0，而不會出現(xiàn)諸如m=3這種中間態(tài)——即使是在并發(fā)的線程中。

而，聲明并賦值就不是一個(gè)原子操作：

int n = 6; // 這不是一個(gè)原子操作

對于這個(gè)語句，至少有兩個(gè)操作：
①聲明一個(gè)變量n
②給n賦值為6
——這樣就會有一個(gè)中間狀態(tài)：變量n已經(jīng)被聲明了但是還沒有被賦值的狀態(tài)。
——這樣，在多線程中，由于線程執(zhí)行順序的不確定性，如果兩個(gè)線程都使用m，就可能會導(dǎo)致不穩(wěn)定的結(jié)果出現(xiàn)。

知識點(diǎn)：什么是指令重排？

簡單來說，就是計(jì)算機(jī)為了提高執(zhí)行效率，會做的一些優(yōu)化，在不影響最終結(jié)果的情況下，可能會對一些語句的執(zhí)行順序進(jìn)行調(diào)整。
比如，這一段代碼：

int a ;   // 語句1 
a = 8 ;   // 語句2
int b = 9 ;     // 語句3
int c = a + b ; // 語句4

正常來說，對于順序結(jié)構(gòu)，執(zhí)行的順序是自上到下，也即1234。
但是，由于指令重排的原因，因?yàn)椴挥绊懽罱K的結(jié)果，所以，實(shí)際執(zhí)行的順序可能會變成3124或者1324。
由于語句3和4沒有原子性的問題，語句3和語句4也可能會拆分成原子操作，再重排。
——也就是說，對于非原子性的操作，在不影響最終結(jié)果的情況下，其拆分成的原子操作可能會被重新排列執(zhí)行順序。

OK，了解了原子操作和指令重排的概念之后，我們再繼續(xù)看Version3代碼的問題。
下面這段話直接從陳皓的文章(深入淺出單實(shí)例SINGLETON設(shè)計(jì)模式)中復(fù)制而來：

主要在于singleton = new Singleton()這句，這并非是一個(gè)原子操作，事實(shí)上在 JVM 中這句話大概做了下面 3 件事情。

1. 給 singleton 分配內(nèi)存
2. 調(diào)用 Singleton 的構(gòu)造函數(shù)來初始化成員變量，形成實(shí)例
3. 將singleton對象指向分配的內(nèi)存空間（執(zhí)行完這步 singleton才是非 null 了）
   但是在 JVM 的即時(shí)編譯器中存在指令重排序的優(yōu)化。也就是說上面的第二步和第三步的順序是不能保證的，最終的執(zhí)行順序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，則在 3 執(zhí)行完畢、2 未執(zhí)行之前，被線程二搶占了，這時(shí) instance 已經(jīng)是非 null 了（但卻沒有初始化），所以線程二會直接返回 instance，然后使用，然后順理成章地報(bào)錯(cuò)。

再稍微解釋一下，就是說，由于有一個(gè)『instance已經(jīng)不為null但是仍沒有完成初始化』的中間狀態(tài)，而這個(gè)時(shí)候，如果有其他線程剛好運(yùn)行到第一層if (instance == null)這里，這里讀取到的instance已經(jīng)不為null了，所以就直接把這個(gè)中間狀態(tài)的instance拿去用了，就會產(chǎn)生問題。
這里的關(guān)鍵在于——線程T1對instance的寫操作沒有完成，線程T2就執(zhí)行了讀操作。

3.4 終極版本：volatile

對于Version3中可能出現(xiàn)的問題（當(dāng)然這種概率已經(jīng)非常小了，但畢竟還是有的嘛~），解決方案是：只需要給instance的聲明加上volatile關(guān)鍵字即可，Version4版本：

// Version 4 
public class Single4 {
    private static volatile Single4 instance;
    private Single4() {}
    public static Single4 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Single4.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Single4();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

volatile關(guān)鍵字的一個(gè)作用是禁止指令重排，把instance聲明為volatile之后，對它的寫操作就會有一個(gè)內(nèi)存屏障（什么是內(nèi)存屏障？），這樣，在它的賦值完成之前，就不用會調(diào)用讀操作。

注意：volatile阻止的不singleton = new Singleton()這句話內(nèi)部[1-2-3]的指令重排，而是保證了在一個(gè)寫操作（[1-2-3]）完成之前，不會調(diào)用讀操作（if (instance == null)）。

——也就徹底防止了Version3中的問題發(fā)生。
——好了，現(xiàn)在徹底沒什么問題了吧？
……
……
……
好了，別緊張，的確沒問題了。大名鼎鼎的EventBus中，其入口方法EventBus.getDefault()就是用這種方法來實(shí)現(xiàn)的。
……
……
……
不過，非要挑點(diǎn)刺的話還是能挑出來的，就是這個(gè)寫法有些復(fù)雜了，不夠優(yōu)雅、簡潔。
（傲嬌臉）( ￣ー￣)

4. 餓漢式單例

下面再聊了解一下餓漢式的單例。

如上所說，餓漢式單例是指：指全局的單例實(shí)例在類裝載時(shí)構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)方式。

由于類裝載的過程是由類加載器（ClassLoader）來執(zhí)行的，這個(gè)過程也是由JVM來保證同步的，所以這種方式先天就有一個(gè)優(yōu)勢——能夠免疫許多由多線程引起的問題。

4.1 餓漢式單例的實(shí)現(xiàn)方式

餓漢式單例的實(shí)現(xiàn)如下：

//餓漢式實(shí)現(xiàn)
public class SingleB {
    private static final SingleB INSTANCE = new SingleB();
    private SingleB() {}
    public static SingleB getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

對于一個(gè)餓漢式單例的寫法來說，它基本上是完美的了。
所以它的缺點(diǎn)也就只是餓漢式單例本身的缺點(diǎn)所在了——由于INSTANCE的初始化是在類加載時(shí)進(jìn)行的，而類的加載是由ClassLoader來做的，所以開發(fā)者本來對于它初始化的時(shí)機(jī)就很難去準(zhǔn)確把握：

1. 可能由于初始化的太早，造成資源的浪費(fèi)
2. 如果初始化本身依賴于一些其他數(shù)據(jù)，那么也就很難保證其他數(shù)據(jù)會在它初始化之前準(zhǔn)備好。

當(dāng)然，如果所需的單例占用的資源很少，并且也不依賴于其他數(shù)據(jù)，那么這種實(shí)現(xiàn)方式也是很好的。

知識點(diǎn)：什么時(shí)候是類裝載時(shí)？

前面提到了單例在類裝載時(shí)被實(shí)例化，那究竟什么時(shí)候才是『類裝載時(shí)』呢？

不嚴(yán)格的說，大致有這么幾個(gè)條件會觸發(fā)一個(gè)類被加載：

1. new一個(gè)對象時(shí)
2. 使用反射創(chuàng)建它的實(shí)例時(shí)
3. 子類被加載時(shí)，如果父類還沒被加載，就先加載父類
4. jvm啟動時(shí)執(zhí)行的主類會首先被加載

（類在什么時(shí)候加載和初始化?）

5. 一些其他的實(shí)現(xiàn)方式

5.1 Effective Java 1 —— 靜態(tài)內(nèi)部類

《Effective Java》一書的第一版中推薦了一個(gè)中寫法：

// Effective Java 第一版推薦寫法
public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton (){}
    public static final Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

這種寫法非常巧妙：

• 對于內(nèi)部類SingletonHolder，它是一個(gè)餓漢式的單例實(shí)現(xiàn)，在SingletonHolder初始化的時(shí)候會由ClassLoader來保證同步，使INSTANCE是一個(gè)真·單例。
• 同時(shí)，由于SingletonHolder是一個(gè)內(nèi)部類，只在外部類的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被加載的時(shí)機(jī)也就是在getInstance()方法第一次被調(diào)用的時(shí)候。

——它利用了ClassLoader來保證了同步，同時(shí)又能讓開發(fā)者控制類加載的時(shí)機(jī)。從內(nèi)部看是一個(gè)餓漢式的單例，但是從外部看來，又的確是懶漢式的實(shí)現(xiàn)。

簡直是神乎其技。

5.2 Effective Java 2 —— 枚舉

你以為到這就算完了？不，并沒有，因?yàn)閰柡Φ拇笊裼职l(fā)現(xiàn)了其他的方法。
《Effective Java》的作者在這本書的第二版又推薦了另外一種方法，來直接看代碼：

// Effective Java 第二版推薦寫法
public enum SingleInstance {
    INSTANCE;
    public void fun1() { 
        // do something
    }
}

// 使用
SingleInstance.INSTANCE.fun1();

看到了么？這是一個(gè)枚舉類型……連class都不用了，極簡。
由于創(chuàng)建枚舉實(shí)例的過程是線程安全的，所以這種寫法也沒有同步的問題。

作者對這個(gè)方法的評價(jià)：

這種寫法在功能上與共有域方法相近，但是它更簡潔，無償?shù)靥峁┝诵蛄谢瘷C(jī)制，絕對防止對此實(shí)例化，即使是在面對復(fù)雜的序列化或者反射攻擊的時(shí)候。雖然這中方法還沒有廣泛采用，但是單元素的枚舉類型已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)Singleton的最佳方法。

枚舉單例這種方法問世一些，許多分析文章都稱它是實(shí)現(xiàn)單例的最完美方法——寫法超級簡單，而且又能解決大部分的問題。
不過我個(gè)人認(rèn)為這種方法雖然很優(yōu)秀，但是它仍然不是完美的——比如，在需要繼承的場景，它就不適用了。

6. 總結(jié)

OK，看到這里，你還會覺得單例模式是最簡單的設(shè)計(jì)模式了么？再回頭看一下你之前代碼中的單例實(shí)現(xiàn)，覺得是無懈可擊的么？
可能我們在實(shí)際的開發(fā)中，對單例的實(shí)現(xiàn)并沒有那么嚴(yán)格的要求。比如，我如果能保證所有的getInstance都是在一個(gè)線程的話，那其實(shí)第一種最簡單的教科書方式就夠用了。再比如，有時(shí)候，我的單例變成了多例也可能對程序沒什么太大影響……
但是，如果我們能了解更多其中的細(xì)節(jié)，那么如果哪天程序出了些問題，我們起碼能多一個(gè)排查問題的點(diǎn)。早點(diǎn)解決問題，就能早點(diǎn)回家吃飯……:-D

—— 還有，完美的方案是不存在，任何方式都會有一個(gè)『度』的問題。比如，你的覺得代碼已經(jīng)無懈可擊了，但是因?yàn)槟阌玫氖荍AVA語言，可能ClassLoader有些BUG啊……你的代碼誰運(yùn)行在JVM上的，可能JVM本身有BUG啊……你的代碼運(yùn)行在手機(jī)上，可能手機(jī)系統(tǒng)有問題啊……你生活在這個(gè)宇宙里，可能宇宙本身有些BUG啊……o(╯□╰)o
所以，盡力做到能做到的最好就行了。

—— 感謝你花費(fèi)了不少時(shí)間看到這里，但愿你沒有覺得虛度。

7. 一些有用的鏈接

深入淺出單實(shí)例SINGLETON設(shè)計(jì)模式：http://coolshell.cn/articles/265.html
Java并發(fā)編程：volatile關(guān)鍵字解析：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html
為什么volatile不能保證原子性而Atomic可以？： http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html
類在什么時(shí)候加載和初始化？http://www.importnew.com/6579.html

8. 關(guān)于作者

https://github.com/barryhappy
http://www.barryzhang.com