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深入淺出單實例Singleton設計模式

編輯：關於JAVA

單實例Singleton設計模式可能是被討論和使用的最廣泛的一個設計模式了，這可能也是面試中問得最多的一個設計模式了。這個設計模式主要目的是想在整個系統中只能出現一個類的實例。這樣做當然是有必然的，比如你的軟件的全局配置信息，或者是一個Factory，或是一個主控類，等等。你希望這個類在整個系統中只能出現一個實例。當然，作為一個技術負責人的你，你當然有權利通過使用非技術的手段來達到你的目的。比如：你在團隊內部明文規定，“XX類只能有一個全局實例，如果某人使用兩次以上，那麼該人將被處於2000元的罰款！”（呵呵），你當然有權這麼做。但是如果你的設計的是東西是一個類庫，或是一個需要提供給用戶使用的API，恐怕你的這項規定將會失效。因為，你無權要求別人會那麼做。所以，這就是為什麼，我們希望通過使用技術的手段來達成這樣一個目的的原因。

本文會帶著你深入整個Singleton的世界，當然，我會放棄使用C++語言而改用Java語言，因為使用Java這個語言可能更容易讓我說明一些事情。

Singleton的教學版本

這裡，我將直接給出一個Singleton的簡單實現，因為我相信你已經有這方面的一些基礎了。我們姑且把這個版本叫做1.0版

// version 1.0
public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton() {  }
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton== null) {
            singleton= new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

在上面的實例中，我想說明下面幾個Singleton的特點：（下面這些東西可能是盡人皆知的，沒有什麼新鮮的）

私有（private）的構造函數，表明這個類是不可能形成實例了。這主要是怕這個類會有多個實例。
即然這個類是不可能形成實例，那麼，我們需要一個靜態的方式讓其形成實例：getInstance()。注意這個方法是在new自己，因為其可以訪問私有的構造函數，所以他是可以保證實例被創建出來的。
在getInstance()中，先做判斷是否已形成實例，如果已形成則直接返回，否則創建實例。
所形成的實例保存在自己類中的私有成員中。
我們取實例時，只需要使用Singleton.getInstance()就行了。

當然，如果你覺得知道了上面這些事情後就學成了，那得給你當頭棒喝一下了，事情遠遠沒有那麼簡單。

Singleton的實際版本

上面的這個程序存在比較嚴重的問題，因為是全局性的實例，所以，在多線程情況下，所有的全局共享的東西都會變得非常的危險，這個也一樣，在多線程情況下，如果多個線程同時調用getInstance()的話，那麼，可能會有多個進程同時通過 (singleton== null)的條件檢查，於是，多個實例就創建出來，並且很可能造成內存洩露問題。嗯，熟悉多線程的你一定會說——“我們需要線程互斥或同步”，沒錯，我們需要這個事情，於是我們的Singleton升級成1.1版，如下所示：

// version 1.1
public class Singleton
{
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton() {  }
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton== null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                singleton= new Singleton();
            }
        }
        return singleton;
    }
}

嗯，使用了Java的synchronized方法，看起來不錯哦。應該沒有問題了吧？！錯！這還是有問題！為什麼呢？前面已經說過，如果有多個線程同時通過(singleton== null)的條件檢查（因為他們並行運行），雖然我們的synchronized方法會幫助我們同步所有的線程，讓我們並行線程變成串行的一個一個去new，那不還是一樣的嗎？同樣會出現很多實例。嗯，確實如此！看來，還得把那個判斷(singleton== null)條件也同步起來。於是，我們的Singleton再次升級成1.2版本，如下所示：

// version 1.2
public class Singleton
{
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton()  {  }
    public static Singleton getInstance()  {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (singleton== null) {
		singleton= new Singleton();
            }
         }
        return singleton;
    }
}

不錯不錯，看似很不錯了。在多線程下應該沒有什麼問題了，不是嗎？的確是這樣的，1.2版的Singleton在多線程下的確沒有問題了，因為我們同步了所有的線程。只不過嘛……，什麼？！還不行？！是的，還是有點小問題，我們本來只是想讓new這個操作並行就可以了，現在，只要是進入getInstance()的線程都得同步啊，注意，創建對象的動作只有一次，後面的動作全是讀取那個成員變量，這些讀取的動作不需要線程同步啊。這樣的作法感覺非常極端啊，為了一個初始化的創建動作，居然讓我們達上了所有的讀操作，嚴重影響後續的性能啊！

還得改！嗯，看來，在線程同步前還得加一個(singleton== null)的條件判斷，如果對象已經創建了，那麼就不需要線程的同步了。OK，下面是1.3版的Singleton。

// version 1.3
public class Singleton
{
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton()  {    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton== null)  {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton== null)  {
                    singleton= new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

感覺代碼開始變得有點羅嗦和復雜了，不過，這可能是最不錯的一個版本了，這個版本又叫“雙重檢查”Double-Check。下面是說明：

第一個條件是說，如果實例創建了，那就不需要同步了，直接返回就好了。
不然，我們就開始同步線程。
第二個條件是說，如果被同步的線程中，有一個線程創建了對象，那麼別的線程就不用再創建了。

相當不錯啊，干得非常漂亮！請大家為我們的1.3版起立鼓掌！

但是，如果你認為這個版本大攻告成，你就錯了。

主要在於singleton = new Singleton()這句，這並非是一個原子操作，事實上在 JVM 中這句話大概做了下面 3 件事情。

給 singleton 分配內存
調用 Singleton 的構造函數來初始化成員變量，形成實例
將singleton對象指向分配的內存空間（執行完這步 singleton才是非 null 了）

但是在 JVM 的即時編譯器中存在指令重排序的優化。也就是說上面的第二步和第三步的順序是不能保證的，最終的執行順序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是後者，則在 3 執行完畢、2 未執行之前，被線程二搶占了，這時 instance 已經是非 null 了（但卻沒有初始化），所以線程二會直接返回 instance，然後使用，然後順理成章地報錯。

對此，我們只需要把singleton聲明成 volatile 就可以了。下面是1.4版：

// version 1.4
public class Singleton
{
    private volatile static Singleton singleton = null;
    private Singleton()  {    }
    public static Singleton getInstance()   {
        if (singleton== null)  {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton== null)  {
                    singleton= new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

使用 volatile 有兩個功用：

1）這個變量不會在多個線程中存在復本，直接從內存讀取。

2）這個關鍵字會禁止指令重排序優化。也就是說，在 volatile 變量的賦值操作後面會有一個內存屏障（生成的匯編代碼上），讀操作不會被重排序到內存屏障之前。

但是，這個事情僅在Java 1.5版後有用，1.5版之前用這個變量也有問題，因為老版本的Java的內存模型是有缺陷的。

Singleton 的簡化版本

上面的玩法實在是太復雜了，一點也不優雅，下面是一種更為優雅的方式：

這種方法非常簡單，因為單例的實例被聲明成 static 和 final 變量了，在第一次加載類到內存中時就會初始化，所以創建實例本身是線程安全的。

// version 1.5
public class Singleton
{
    private volatile static Singleton singleton = new Singleton();
    private Singleton()  {    }
    public static Singleton getInstance()   {
        return singleton;
    }
}

但是，這種玩法的最大問題是——當這個類被加載的時候，new Singleton() 這句話就會被執行，就算是getInstance()沒有被調用，類也被初始化了。

於是，這個可能會與我們想要的行為不一樣，比如，我的類的構造函數中，有一些事可能需要依賴於別的類干的一些事（比如某個配置文件，或是某個被其它類創建的資源），我們希望他能在我第一次getInstance()時才被真正的創建。這樣，我們可以控制真正的類創建的時刻，而不是把類的創建委托給了類裝載器。

好吧，我們還得繞一下：

下面的這個1.6版是老版《Effective Java》中推薦的方式。

// version 1.6
public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton (){}
    public static final Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

上面這種方式，仍然使用JVM本身機制保證了線程安全問題；由於 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外沒有辦法訪問它，因此它只有在getInstance()被調用時才會真正創建；同時讀取實例的時候不會進行同步，沒有性能缺陷；也不依賴 JDK 版本。

Singleton 優雅版本

public enum Singleton{
   INSTANCE;
}

居然用枚舉！！看上去好牛逼，通過EasySingleton.INSTANCE來訪問，這比調用getInstance()方法簡單多了。

默認枚舉實例的創建是線程安全的，所以不需要擔心線程安全的問題。但是在枚舉中的其他任何方法的線程安全由程序員自己負責。還有防止上面的通過反射機制調用私用構造器。

這個版本基本上消除了絕大多數的問題。代碼也非常簡單，實在無法不用。這也是新版的《Effective Java》中推薦的模式。

Singleton的其它問題

怎麼？還有問題？！當然還有，請記住下面這條規則——“無論你的代碼寫得有多好，其只能在特定的范圍內工作，超出這個范圍就要出Bug了”，這是“陳式第一定理”，呵呵。你能想一想還有什麼情況會讓這個我們上面的代碼出問題嗎？

在C++下，我不是很好舉例，但是在Java的環境下，嘿嘿，還是讓我們來看看下面的一些反例和一些別的事情的討論（當然，有些反例可能屬於鑽牛角尖，可能有點學院派，不過也不排除其實際可能性，就算是提個醒吧）：

其一、Class Loader。不知道你對Java的Class Loader熟悉嗎？“類裝載器”？！C++可沒有這個東西啊。這是Java動態性的核心。顧名思義，類裝載器是用來把類(class)裝載進JVM的。JVM規范定義了兩種類型的類裝載器：啟動內裝載器(bootstrap)和用戶自定義裝載器(user-defined class loader)。在一個JVM中可能存在多個ClassLoader，每個ClassLoader擁有自己的NameSpace。一個ClassLoader只能擁有一個class對象類型的實例，但是不同的ClassLoader可能擁有相同的class對象實例，這時可能產生致命的問題。如ClassLoaderA，裝載了類A的類型實例A1，而ClassLoaderB，也裝載了類A的對象實例A2。邏輯上講A1=A2，但是由於A1和A2來自於不同的ClassLoader，它們實際上是完全不同的，如果A中定義了一個靜態變量c，則c在不同的ClassLoader中的值是不同的。

於是，如果咱們的Singleton 1.3版本如果面對著多個Class Loader會怎麼樣？呵呵，多個實例同樣會被多個Class Loader創建出來，當然，這個有點牽強，不過他確實存在。難道我們還要整出個1.4版嗎？可是，我們怎麼可能在我的Singleton類中操作Class Loader啊？是的，你根本不可能。在這種情況下，你能做的只有是——“保證多個Class Loader不會裝載同一個Singleton”。

其二、序例化。如果我們的這個Singleton類是一個關於我們程序配置信息的類。我們需要它有序列化的功能，那麼，當反序列化的時候，我們將無法控制別人不多次反序列化。不過，我們可以利用一下Serializable接口的readResolve()方法，比如：

public class Singleton implements Serializable
{
    ......
    ......
    protected Object readResolve()
    {
        return getInstance();
    }
}

其三、多個Java虛擬機。如果我們的程序運行在多個Java的虛擬機中。什麼？多個虛擬機？這是一種什麼樣的情況啊。嗯，這種情況是有點極端，不過還是可能出現，比如EJB或RMI之流的東西。要在這種環境下避免多實例，看來只能通過良好的設計或非技術來解決了。

其四，volatile變量。關於volatile這個關鍵字所聲明的變量可以被看作是一種 “程度較輕的同步synchronized”；與 synchronized 塊相比，volatile 變量所需的編碼較少，並且運行時開銷也較少，但是它所能實現的功能也僅是synchronized的一部分。當然，如前面所述，我們需要的Singleton只是在創建的時候線程同步，而後面的讀取則不需要同步。所以，volatile變量並不能幫助我們即能解決問題，又有好的性能。而且，這種變量只能在JDK 1.5+版後才能使用。

其五、關於繼承。是的，繼承於Singleton後的子類也有可能造成多實例的問題。不過，因為我們早把Singleton的構造函數聲明成了私有的，所以也就杜絕了繼承這種事情。

其六，關於代碼重用。也話我們的系統中有很多個類需要用到這個模式，如果我們在每一個類都中有這樣的代碼，那麼就顯得有點傻了。那麼，我們是否可以使用一種方法，把這具模式抽象出去？在C++下這是很容易的，因為有模板和友元，還支持棧上分配內存，所以比較容易一些（程序如下所示），Java下可能比較復雜一些，聰明的你知道怎麼做嗎？

template class Singleton
{
    public:
        static T& Instance()
        {
            static T theSingleInstance; //假設T有一個protected默認構造函數
            return theSingleInstance;
        }
};

class OnlyOne : public Singleton
{
    friend class Singleton;
    int example_data;

    public:
        int GetExampleData() const {return example_data;}
    protected:
        OnlyOne(): example_data(42) {}   // 默認構造函數
        OnlyOne(OnlyOne&) {}
};

int main( )
{
    cout << OnlyOne::Instance().GetExampleData() << endl;
	return 0;
}

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