單例模式完全剖析

1、單例模式完全剖析概要 單例模式是最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)模式之一，但是對(duì)于Java的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，它卻有很多缺陷。在本月的專欄中，David Geary探討了單例模式以及在面對(duì)多線程（multithreading)、類裝載器（classloaders）和序列化(serialization)時(shí)如何處理這些缺陷。 單例模式適合于一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例的情況，比如窗口管理器，打印緩沖池和文件系統(tǒng)，它們都是原型的例子。典型的情況是，那些對(duì)象的類型被遍及一個(gè)軟件系統(tǒng)的不同對(duì)象訪問(wèn)，因此需要一個(gè)全局的訪問(wèn)指針，這便是眾所周知的單例模式的應(yīng)用。當(dāng)然這只有在你確信你不再需要任何多于一個(gè)的實(shí)例的情況下。 單例模式的用意在于前一段

2、中所關(guān)心的。通過(guò)單例模式你可以： 確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例被建立 提供了一個(gè)對(duì)對(duì)象的全局訪問(wèn)指針 在不影響單例類的客戶端的情況下允許將來(lái)有多個(gè)實(shí)例 盡管單例設(shè)計(jì)模式如在下面的圖中的所顯示的一樣是最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)模式，但對(duì)于粗心的Java開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)卻呈現(xiàn)出許多缺陷。這篇文章討論了單例模式并揭示了那些缺陷。 注意：你可以從Resources下載這篇文章的源代碼。 單例模式 在設(shè)計(jì)模式一書(shū)中，作者這樣來(lái)敘述單例模式的：確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例并提供一個(gè)對(duì)它的全局訪問(wèn)指針。 下圖說(shuō)明了單例模式的類圖。 （圖1） 單例模式的類圖 正如你在上圖中所看到的，這不是單例模式的完整部分。此圖中單例類保持了一個(gè)對(duì)唯一的單

3、例實(shí)例的靜態(tài)引用，并且會(huì)從靜態(tài)getInstance()方法中返回對(duì)那個(gè)實(shí)例的引用。 例1顯示了一個(gè)經(jīng)典的單例模式的實(shí)現(xiàn)。 例1.經(jīng)典的單例模式 Java代碼 1. public class ClassicSingleton     2.    private static ClassicSingleton instance = null;    3.      4.  

4、60; protected ClassicSingleton()     5.       / Exists only to defeat instantiation.    6.        7.    public static ClassicSingleton getIn

5、stance()     8.       if(instance = null)     9.          instance = new ClassicSingleton();    10.         &#

6、160; 11.       return instance;    12.        13.    public class ClassicSingleton private static ClassicSingleton instance = null; protected ClassicSingleton() / Exists only to defeat instantiation.

7、public static ClassicSingleton getInstance() if(instance = null) instance = new ClassicSingleton(); return instance; 在例1中的單例模式的實(shí)現(xiàn)很容易理解。ClassicSingleton類保持了一個(gè)對(duì)單獨(dú)的單例實(shí)例的靜態(tài)引用，并且從靜態(tài)方法getInstance()中返回那個(gè)引用。 關(guān)于ClassicSingleton類，有幾個(gè)讓我們感興趣的地方。首先，ClassicSingleton使用了一個(gè)眾所周知的懶漢式實(shí)例化去創(chuàng)建那個(gè)單例類的引用;結(jié)果，這個(gè)單例類的實(shí)例直到getInst

8、ance()方法被第一次調(diào)用時(shí)才被創(chuàng)建。這種技巧可以確保單例類的實(shí)例只有在需要時(shí)才被建立出來(lái)。其次，注意ClassicSingleton實(shí)現(xiàn)了一個(gè)protected的構(gòu)造方法，這樣客戶端不能直接實(shí)例化一個(gè)ClassicSingleton類的實(shí)例。然而，你會(huì)驚奇的發(fā)現(xiàn)下面的代碼完全合法： Java代碼 1. public class SingletonInstantiator      2.   public SingletonInstantiator()    &#

9、160; 3.    ClassicSingleton instance = ClassicSingleton.getInstance();    4. ClassicSingleton anotherInstance =    5. new ClassicSingleton();    6.        .   &

10、#160; 7.        8.    public class SingletonInstantiator public SingletonInstantiator() ClassicSingleton instance = ClassicSingleton.getInstance(); ClassicSingleton anotherInstance = new ClassicSingleton(); . 測(cè)試單例模式 接下來(lái)，我使用與log4j相對(duì)應(yīng)的JUnit來(lái)測(cè)試單例類，它會(huì)貫穿在

11、這篇文章余下的部分。如果你對(duì)JUnit或log4j不很熟悉，請(qǐng)參考相關(guān)資源。 例2是一個(gè)用JUnit測(cè)試?yán)?的單例模式的案例： 例2.一個(gè)單例模式的案例 Java代碼 .      5. public class SingletonTest extends TestCase     6.    private ClassicSingleton sone = null, stwo

12、60;= null;    7.    private static Logger logger = Logger.getRootLogger();    8.      9.    public SingletonTest(String name)     10.     &#

13、160; super(name);    11.        12.    public void setUp()     13.       ("getting singleton.");    14.      

14、 sone = ClassicSingleton.getInstance();    15.       (".got singleton: " + sone);    16.      17.       ("getting 

15、;singleton.");    18.       stwo = ClassicSingleton.getInstance();    19.       (".got singleton: " + stwo);    20.     

16、;   21.    public void testUnique()     22.       ("checking singletons for equality");    23.       Assert.assertEquals(true, so

17、ne = stwo);    24.        25.     public class SingletonTest extends TestCase private ClassicSingleton sone = null, stwo = null; private static Logger logger = Logger.getRootLogger(); public SingletonTest(String name) super(name);

18、 public void setUp() ("getting singleton."); sone = ClassicSingleton.getInstance(); (".got singleton: " + sone); ("getting singleton."); stwo = ClassicSingleton.getInstance(); (".got singleton: " + stwo); public void

19、 testUnique() ("checking singletons for equality"); Assert.assertEquals(true, sone = stwo); 例2兩次調(diào)用ClassicSingleton.getInstance()，并且把返回的引用存儲(chǔ)在成員變量中。方法testUnique()會(huì)檢查這些引用看它們是否相同。例3是這個(gè)測(cè)試案例的輸出： 例3.是這個(gè)測(cè)試案例的輸出 Java代碼 1. Buildfile: build.xml    2.     

20、 3. init:    4.      echo Build 20030414 (14-04-2003 03:08)    5.      6. compile:    7.      8. run-test-text:    9.      ja

21、va .INFO main: bgetting singleton./b    10.      java INFO main: bcreated singleton:/b Singletone86f41    11.      java INFO main: .got singleton: Sin

22、gletone86f41    12.      java INFO main: bgetting singleton./b    13.      java INFO main: .got singleton: Singletone86f41    14.      

23、java INFO main: checking singletons for equality    15.      16.      java Time: 0.032    17.      18.      java OK (1 test)&

24、#160; Buildfile: build.xml init: echo Build 20030414 (14-04-2003 03:08) compile: run-test-text: java .INFO main: bgetting singleton./b java INFO main: bcreated singleton:/b Singletone86f41 java INFO main: .got singleton: Singletone86f41 java INFO main: bgetting singleton./b java INFO main: .got

25、 singleton: Singletone86f41 java INFO main: checking singletons for equality java Time: 0.032 java OK (1 test)正如前面的清單所示，例2的簡(jiǎn)單測(cè)試順利通過(guò)-通過(guò)ClassicSingleton.getInstance()獲得的兩個(gè)單例類的引用確實(shí)相同;然而，你要知道這些引用是在單線程中得到的。下面的部分著重于用多線程測(cè)試單例類。 多線程因素的考慮 在例1中的ClassicSingleton.getInstance()方法由于下面的代碼而不是線程安全的： Java代碼 1. 1: 

26、;if(instance = null)     2. 2:    instance = new Singleton();    3. 3:    1: if(instance = null) 2: instance = new Singleton(); 3: 如果一個(gè)線程在第二行的賦值語(yǔ)句發(fā)生之前切換，那么成員變量instance仍然是null，然后另一個(gè)線程可能接下來(lái)進(jìn)入到if塊中。在這種情況

27、下，兩個(gè)不同的單例類實(shí)例就被創(chuàng)建。不幸的是這種假定很少發(fā)生，這樣這種假定也很難在測(cè)試期間出現(xiàn)（譯注：在這可能是作者對(duì)很少出現(xiàn)這種情況而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)試從而使人們放松警惕而感到嘆惜）。為了演示這個(gè)線程輪換，我得重新實(shí)現(xiàn)例1中的那個(gè)類。例4就是修訂后的單例類： 例4.人為安排的方式 Java代碼 1.2.      3. public class Singleton     4.   private static Singleton singleton&

28、#160;= null;    5.   private static Logger logger = Logger.getRootLogger();    6.   private static boolean firstThread = true;    7.      8.   protect

29、ed Singleton()     9.     / Exists only to defeat instantiation.    10.       11.   public static Singleton getInstance()     12.   

30、60;  if(singleton = null)     13.         simulateRandomActivity();    14.         singleton = new Singleton();    15.   

31、0;      16.      ("created singleton: " + singleton);    17.      return singleton;    18.       19.   private

32、0;static void simulateRandomActivity()     20.      try     21.         if(firstThread)     22.            fir

33、stThread = false;    23.            ("sleeping.");    24.      25.            / This nap shoul

34、d give the second thread enough time    26.            / to get by the first thread.    27.           

35、60;  Thread.currentThread().sleep(50);    28.            29.          30.      catch(InterruptedException ex)     31.    

36、;     logger.warn("Sleep interrupted");    32.          33.       34.     public class Singleton private static Singleton singleton = null; private static Logger log

37、ger = Logger.getRootLogger(); private static boolean firstThread = true; protected Singleton() / Exists only to defeat instantiation. public static Singleton getInstance() if(singleton = null) simulateRandomActivity(); singleton = new Singleton(); ("created singleton: " + single

38、ton); return singleton; private static void simulateRandomActivity() try if(firstThread) firstThread = false; ("sleeping."); / This nap should give the second thread enough time / to get by the first thread. Thread.currentThread().sleep(50); catch(InterruptedException ex) logger

39、.warn("Sleep interrupted"); 除了在這個(gè)清單中的單例類強(qiáng)制使用了一個(gè)多線程錯(cuò)誤處理，例4類似于例1中的單例類。在getInstance()方法第一次被調(diào)用時(shí)，調(diào)用這個(gè)方法的線程會(huì)休眠50毫秒以便另外的線程也有時(shí)間調(diào)用getInstance()并創(chuàng)建一個(gè)新的單例類實(shí)例。當(dāng)休眠的線程覺(jué)醒時(shí)，它也會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的單例類實(shí)例，這樣我們就有兩個(gè)單例類實(shí)例。盡管例4是人為如此的，但它卻模擬了第一個(gè)線程調(diào)用了getInstance()并在沒(méi)有完成時(shí)被切換的真實(shí)情形。 例5測(cè)試了例4的單例類： 例5.失敗的測(cè)試 Java代碼 .   

40、;   5. public class SingletonTest extends TestCase     6.    private static Logger logger = Logger.getRootLogger();    7.    private static Singleton singleton 

41、= null;    8.      9.    public SingletonTest(String name)     10.       super(name);    11.        12.    public void&#

42、160;setUp()     13.       singleton = null;    14.        15.    public void testUnique() throws InterruptedException     16.   &#

43、160;   / Both threads call Singleton.getInstance().    17.       Thread threadOne = new Thread(new SingletonTestRunnable(),    18.         &

44、#160;    threadTwo = new Thread(new SingletonTestRunnable();    19.      20.       threadOne.start();    21.       threadTwo.start();   

45、0;22.      23.       threadOne.join();    24.       threadTwo.join();    25.        26.    private static class SingletonTestRunna

46、ble implements Runnable     27.       public void run()     28.          / Get a reference to the singleton.    29. 

47、0;        Singleton s = Singleton.getInstance();    30.      31.          / Protect singleton member variable from    32.

48、60;        / multithreaded access.    33.          synchronized(SingletonTest.class)     34.             if(si

49、ngleton = null) / If local reference is null.    35.                singleton = s;     / .set it to the single

50、ton    36.              37.          / Local reference must be equal to the one and    38.      

51、;    / only instance of Singleton; otherwise, we have two    39.                   / Singleton instances.    4

52、0.          Assert.assertEquals(true, s = singleton);    41.           42.        43.     public class SingletonTest extends TestCase p

53、rivate static Logger logger = Logger.getRootLogger(); private static Singleton singleton = null; public SingletonTest(String name) super(name); public void setUp() singleton = null; public void testUnique() throws InterruptedException / Both threads call Singleton.getInstance(). Thread threadOne = n

54、ew Thread(new SingletonTestRunnable(), threadTwo = new Thread(new SingletonTestRunnable(); threadOne.start(); threadTwo.start(); threadOne.join(); threadTwo.join(); private static class SingletonTestRunnable implements Runnable public void run() / Get a reference to the singleton. Singleton s = Sing

55、leton.getInstance(); / Protect singleton member variable from / multithreaded access. synchronized(SingletonTest.class) if(singleton = null) / If local reference is null. singleton = s; / .set it to the singleton / Local reference must be equal to the one and / only instance of Singleton; otherwise,

56、 we have two / Singleton instances. Assert.assertEquals(true, s = singleton); 例5的測(cè)試案例創(chuàng)建兩個(gè)線程，然后各自啟動(dòng)，等待完成。這個(gè)案例保持了一個(gè)對(duì)單例類的靜態(tài)引用，每個(gè)線程都會(huì)調(diào)用Singleton.getInstance()。如果這個(gè)靜態(tài)成員變量沒(méi)有被設(shè)置，那么第一個(gè)線程就會(huì)將它設(shè)為通過(guò)調(diào)用getInstance()而得到的引用，然后這個(gè)靜態(tài)變量會(huì)與一個(gè)局部變量比較是否相等。 在這個(gè)測(cè)試案例運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生一系列的事情：第一個(gè)線程調(diào)用getInstance()，進(jìn)入if塊，然后休眠;接著，第二個(gè)線程也調(diào)用getIn

57、stance()并且創(chuàng)建了一個(gè)單例類的實(shí)例。第二個(gè)線程會(huì)設(shè)置這個(gè)靜態(tài)成員變量為它所創(chuàng)建的引用。第二個(gè)線程檢查這個(gè)靜態(tài)成員變量與一個(gè)局部備份的相等性。然后測(cè)試通過(guò)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程覺(jué)醒時(shí)，它也會(huì)創(chuàng)建一個(gè)單例類的實(shí)例，并且它不會(huì)設(shè)置那個(gè)靜態(tài)成員變量（因?yàn)榈诙€(gè)線程已經(jīng)設(shè)置過(guò)了），所以那個(gè)靜態(tài)變量與那個(gè)局部變量脫離同步，相等性測(cè)試即告失敗。例6列出了例5的輸出： 例6.例5的輸出 Java代碼 1. Buildfile: build.xml    2. init:    3.      

58、;echo Build 20030414 (14-04-2003 03:06)    4. compile:    5. run-test-text:    6. INFO Thread-1: sleeping.    7. INFO Thread-2: created singleton: Singleton7e5cbd    8. INFO&#

59、160;Thread-1: created singleton: Singleton704ebb    9.10. 47)    11. 282)    12. 64)    13. 149)    14. 155)    15.    at SingletonTest$SingletonTestRunnable.run(Unknown 

60、Source)    16. 554)    17.      java .    18.      java Time: 0.577    19.      20.      java OK (1 test) 

61、0; Buildfile: build.xml init: echo Build 20030414 (14-04-2003 03:06) compile: run-test-text: INFO Thread-1: sleeping. INFO Thread-2: created singleton: Singleton7e5cbd INFO Thread-1: created singleton: Singleton704ebb at SingletonTest$SingletonTestRunnable.run(Unknown Source) java . java Time:

62、0.577 java OK (1 test) 到現(xiàn)在為止我們已經(jīng)知道例4不是線程安全的，那就讓我們看看如何修正它。 同步 要使例4的單例類為線程安全的很容易-只要像下面一個(gè)同步化getInstance()方法： Java代碼 1. public synchronized static Singleton getInstance()     2.    if(singleton = null)     3.  

63、0;    simulateRandomActivity();    4.       singleton = new Singleton();    5.        6.    ("created singleton: " + si

64、ngleton);    7.    return singleton;    8.    public synchronized static Singleton getInstance() if(singleton = null) simulateRandomActivity(); singleton = new Singleton(); ("created singleton: " + singleton); retu

65、rn singleton; 在同步化getInstance()方法后，我們就可以得到例5的測(cè)試案例返回的下面的結(jié)果： Java代碼 1. Buildfile: build.xml    2.      3. init:    4.      echo Build 20030414 (14-04-2003 03:15)    5.     

66、 6. compile:    7.     javac Compiling 2 source files    8.      9. run-test-text:    10. INFO Thread-1: sleeping.    11. INFO Thread-1: created singl

67、eton: Singletonef577d    12. INFO Thread-2: created singleton: Singletonef577d    13.      java .    14.      java Time: 0.513    15.   

68、60; 16.      java OK (1 test)   Buildfile: build.xml init: echo Build 20030414 (14-04-2003 03:15) compile: javac Compiling 2 source files run-test-text: INFO Thread-1: sleeping. INFO Thread-1: created singleton: Singletonef577d INFO Thread-

69、2: created singleton: Singletonef577d java . java Time: 0.513 java OK (1 test) 這此，這個(gè)測(cè)試案例工作正常，并且多線程的煩惱也被解決;然而，機(jī)敏的讀者可能會(huì)認(rèn)識(shí)到getInstance()方法只需要在第一次被調(diào)用時(shí)同步。因?yàn)橥降男阅荛_(kāi)銷很昂貴（同步方法比非同步方法能降低到100次左右），或許我們可以引入一種性能改進(jìn)方法，它只同步單例類的getInstance()方法中的賦值語(yǔ)句。 一種性能改進(jìn)的方法 尋找一種性能改進(jìn)方法時(shí)，你可能會(huì)選擇像下面這樣重寫(xiě)getInstance()方法： Java代碼 1. public

70、 static Singleton getInstance()     2.    if(singleton = null)     3.       synchronized(Singleton.class)      4.         

71、60;singleton = new Singleton();    5.           6.        7.    return singleton;    8.    public static Singleton getInstance() if(singleton = n

72、ull) synchronized(Singleton.class) singleton = new Singleton(); return singleton; 這個(gè)代碼片段只同步了關(guān)鍵的代碼，而不是同步整個(gè)方法。然而這段代碼卻不是線程安全的?？紤]一下下面的假定：線程1進(jìn)入同步塊，并且在它給singleton成員變量賦值之前線程1被切換。接著另一個(gè)線程進(jìn)入if塊。第二個(gè)線程將等待直到第一個(gè)線程完成，并且仍然會(huì)得到兩個(gè)不同的單例類實(shí)例。有修復(fù)這個(gè)問(wèn)題的方法嗎？請(qǐng)讀下去。 雙重加鎖檢查 初看上去，雙重加鎖檢查似乎是一種使懶漢式實(shí)例化為線程安全的技術(shù)。下面的代碼片段展示了這種技術(shù)： Java代碼

73、1. public static Singleton getInstance()     2.   if(singleton = null)     3.      synchronized(Singleton.class)     4.        if(singleton 

74、= null)     5.          singleton = new Singleton();    6.            7.         8.       

75、9.   return singleton;    10.    public static Singleton getInstance() if(singleton = null) synchronized(Singleton.class) if(singleton = null) singleton = new Singleton(); return singleton; 如果兩個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)getInstance()方法會(huì)發(fā)生什么？想像一下線程1進(jìn)行同步塊馬上又被切換。接著，第二個(gè)線程進(jìn)入if 塊。

76、當(dāng)線程1退出同步塊時(shí)，線程2會(huì)重新檢查看是否singleton實(shí)例仍然為null。因?yàn)榫€程1設(shè)置了singleton成員變量，所以線程2的第二次檢查會(huì)失敗，第二個(gè)單例類實(shí)例也就不會(huì)被創(chuàng)建。似乎就是如此。 不幸的是，雙重加鎖檢查不會(huì)保證正常工作，因?yàn)榫幾g器會(huì)在Singleton的構(gòu)造方法被調(diào)用之前隨意給singleton賦一個(gè)值。如果在singleton引用被賦值之后而被初始化之前線程1被切換，線程2就會(huì)被返回一個(gè)對(duì)未初始化的單例類實(shí)例的引用。 一個(gè)改進(jìn)的線程安全的單例模式實(shí)現(xiàn) 例7列出了一個(gè)簡(jiǎn)單、快速而又是線程安全的單例模式實(shí)現(xiàn)： 例7.一個(gè)簡(jiǎn)單的單例類 Java代碼 1. public

77、60;class Singleton     2.    public final static Singleton INSTANCE = new Singleton();    3.    private Singleton()     4.         

78、; / Exists only to defeat instantiation.    5.           6.    public class Singleton public final static Singleton INSTANCE = new Singleton(); private Singleton() / Exists only to defeat instant

79、iation. 這段代碼是線程安全的是因?yàn)殪o態(tài)成員變量一定會(huì)在類被第一次訪問(wèn)時(shí)被創(chuàng)建。你得到了一個(gè)自動(dòng)使用了懶漢式實(shí)例化的線程安全的實(shí)現(xiàn);你應(yīng)該這樣使用它： Java代碼 1. Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;    2. singleton.dothis();    3. singleton.dothat();    4. .    Singleton singleton = Singleton

80、.INSTANCE; singleton.dothis(); singleton.dothat(); . 當(dāng)然萬(wàn)事并不完美，前面的Singleton只是一個(gè)折衷的方案;如果你使用那個(gè)實(shí)現(xiàn)，你就無(wú)法改變它以便后來(lái)你可能想要允許多個(gè)單例類的實(shí)例。用一種更折哀的單例模式實(shí)現(xiàn)(通過(guò)一個(gè)getInstance()方法獲得實(shí)例)你可以改變這個(gè)方法以便返回一個(gè)唯一的實(shí)例或者是數(shù)百個(gè)實(shí)例中的一個(gè)你不能用一個(gè)公開(kāi)且是靜態(tài)的（public static)成員變量這樣做 你可以安全的使用例的單例模式實(shí)現(xiàn)或者是例的帶一個(gè)同步的getInstance()方法的實(shí)現(xiàn)然而，我們必須要研究另一個(gè)問(wèn)題：你必須在編譯期指定這個(gè)單

81、例類，這樣就不是很靈活一個(gè)單例類的注冊(cè)表會(huì)讓我們?cè)谶\(yùn)行期指定一個(gè)單例類 使用注冊(cè)表 使用一個(gè)單例類注冊(cè)表可以： 在運(yùn)行期指定單例類 防止產(chǎn)生多個(gè)單例類子類的實(shí)例 在例8的單例類中，保持了一個(gè)通過(guò)類名進(jìn)行注冊(cè)的單例類注冊(cè)表： 例8 帶注冊(cè)表的單例類 Java代碼 1.2.3.      4. public class Singleton     5.    private static HashMap map = ne

82、w HashMap();    6.    private static Logger logger = Logger.getRootLogger();    7.      8.    protected Singleton()     9.       / 

83、;Exists only to thwart instantiation    10.        11.    public static synchronized Singleton getInstance(String classname)     12.       if(cla

84、ssname = null) throw new IllegalArgumentException("Illegal classname");    13.          Singleton singleton = (Singleton)map.get(classname);    14.      15.       if(singleton != null)     16.          ("got singleton from&