没那么简单的单例模式

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作者：小牛呼噜噜 | https://xiaoniuhululu.com
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单例(Singleton)可以说是最简单的设计模式之一，而且基本上哪怕你没特别了解过，也能够随手写出，但是单例真有这么简单吗？

什么是单例

单例对象的类必须保证只有一个实例存在，自行提供这个实例，并向整个系统提供这个实例。
上述定义总结以下特点大致有3点：

  1. 单例类只有一个实例对象；
  2. 该单例对象必须由单例类自行创建；
  3. 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。

单例的应用场景

单例模式的核心精髓其实是避免创建不必要的对象
不必要的对象一般是：

  1. 频繁创建的一些类，又频繁被销毁
  2. “昂贵的对象”，有些对象创建的成本比其他对象要高得多，比如占用资源较多，或实例化耗时较长
  3. 系统要求单一控制逻辑的操作，或者对象需要被共享的情况
  4. ……

常见的使用场合：数据库的连接池、Spring中的全局访问点BeanFactory，Spring下的Bean、多线程的线程池、网络连接池等等
单例模式的优点：

不仅可以减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间；
能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误；
如果一个对象有可能贯穿整个应用程序，能够起到了全局统一管理控制的作用。

缺点：

单例模式一般没有接口，没有抽象层，扩展困难。如果要扩展，得修改原来的代码
单例模式的功能代码通常写在一个类中，其职责过重，如果功能设计不合理，则很容易违背单一职责原则
不适用于变化的对象，如果同一类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化，单例就会引起数据的错误，不能保存彼此的状态。比如单例模式下去将对象转成json 会出现互相引用的问题 。

单例的实现方式

对单例的实现一般可以分为两大类——懒汉式和饿汉式
他们的区别在于：
懒汉式：全局的单例实例，默认不会实例化，直到首次使用时才实例化，通俗点讲”一个懒汉, 不愿意动弹。等到饭点了，他才开始想办法搞食物”

饿汉式： 全局的单例实例在类装载时就实例化，并且创建单例对象。通俗点讲”一个饿汉,很勤快就怕自己饿着。总是先把食物准备好，等啥时候到饭点了，他随时拿来吃”

1. 懒汉式单例–简单版本

我们首先来写一个最简单的懒汉实现单例的方式：

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/**
 * 懒汉 - 最简单的版本
 */
public class SingletonEasy  {
    private static SingletonEasy instance;

    private SingletonEasy() {}//将构造器 私有化，防止外部调用

    public static SingletonEasy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonEasy();
        }
        return instance;
    }
}

使用方式：SingletonEasy singletonEasy = SingletonEasy._getInstance_();
SingletonEasy 的instance 默认为空，直到程序获取instance时，先进行判断instance 是否为空，如果instance 为空就new一个，反之直接返回已存在的instance
我们以这种方式实现的单例是线程不安全的，在大部分情况下是没问题的，但是当突然有一天有多个访问者（线程）同时去获取对象实例时，

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if (instance == null) {
    instance = new SingletonEasy();
}

他们发现都不存在instance，然后就会导致 创建多个同样的实例的问题。那怎么解决这种问题呢？

2. 懒汉式单例 – synchronized 版

其实遇到上面的问题，我们很容易想到一个解决方案加锁synchronized

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/**
 * 懒汉 - 加锁synchronized
 */
public class SingleSyn {
    private static SingleSyn instance;

    private SingleSyn() {//将构造器 私有化，防止外部调用
    }

    public static synchronized SingleSyn getInstance(){
        if (instance == null) {
            instance = new SingleSyn();
        }
        return instance;
    }
}

加锁之后，如果有多个访问者（线程）访问getInstance()方法，当一个线程获得锁之后，进行 判空、对象创建、获得返回值的操作，其他的线程必须等待其完成，才能继续执行
这样加锁之后懒汉模式虽然解决了线程并发问题（线程安全的），但由于把锁加到方法上后，所有的访问都因需要锁占用导致资源的浪费，这其实非常影响程序的性能,效率很低。那我们可以怎样优化呢？

3. 懒汉式单例 – 双重校验锁 synchronized版

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/**
 * 懒汉 - 双层校验锁
 */
public class SingleDoubleCheck {
    private static SingleDoubleCheck instance = null;

    private SingleDoubleCheck(){}//将构造器 私有化，防止外部调用

    public static SingleDoubleCheck getInstance() {
        if (instance == null) { //part 1
            synchronized (SingleDoubleCheck.class) {
                if (instance == null) { //part 2
                    instance = new SingleDoubleCheck();//part 3
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

我们来仔细看下它的妙处：在多线程的环境下，当一个线程执行getInstance()时先判断单例对象是否已经初始化，如果已经初始化，就直接返回单例对象，如果未初始化，就在同步代码块中先进行初始化，然后返回，效率很高。

  1. 在多线程的环境下，当一个线程执行getInstance()时
  2. 程序到达part 1处的 if (instance == null) 先判断单例对象是否已经初始化，如果已经初始化，就直接返回单例对象，如果未初始化，则进入后续同步块逻辑；

此处 解决了懒汉式单例 -- synchronized 版的缺陷，不会影响到其他线程的getInstance()方法。

  1. 程序进入同步块， 当一个线程获得锁之后，进行 判空(part2处的instance == null)、对象创建、获得返回值的操作，其他的线程必须等待其完成，才能继续执行。

此处实现了懒汉式单例 -- synchronized 版的功能，保证了线程安全。
这种写法，理论上既线程安全又效率高，可惜事实并非如此。
问题出现在了 part 3处 instance = new SingleDoubleCheck();我们来看下整个类的字节码（JVM指令集)：

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$ javap -c SingleDoubleCheck.class
    
Compiled from "SingleDoubleCheck.java"
public class com.zj.ideaprojects.test.SingleDoubleCheck {
  public static com.zj.ideaprojects.test.SingleDoubleCheck getInstance();
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field instance:Lcom/zj/ideaprojects/test/SingleDoubleCheck;
       3: ifnonnull     37
       6: ldc           #3                  // class com/zj/ideaprojects/test/SingleDoubleCheck
       8: dup
       9: astore_0
      10: monitorenter
      11: getstatic     #2                  // Field instance:Lcom/zj/ideaprojects/test/SingleDoubleCheck;
      14: ifnonnull     27
      17: new           #3                  // class com/zj/ideaprojects/test/SingleDoubleCheck
      20: dup
      21: invokespecial #4                  // Method "<init>":()V
      24: putstatic     #2                  // Field instance:Lcom/zj/ideaprojects/test/SingleDoubleCheck;
      27: aload_0
      28: monitorexit
      29: goto          37
      32: astore_1
      33: aload_0
      34: monitorexit
      35: aload_1
      36: athrow
      37: getstatic     #2                  // Field instance:Lcom/zj/ideaprojects/test/SingleDoubleCheck;
      40: areturn
    Exception table:
       from    to  target type
          11    29    32   any
          32    35    32   any

  static {};
    Code:
       0: aconst_null
       1: putstatic     #2                  // Field instance:Lcom/zj/ideaprojects/test/SingleDoubleCheck;
       4: return
}

内容比较多，我们直接看instance = new SingleDoubleCheck()相关的部分，
可以发现在JVM字节码中instance = new SingleDoubleCheck() 是有4个操作的

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11: getstatic     #2                  //获取指定类的静态域instance 索引#2，并将其值压入栈顶
14: ifnonnull     27                  //不为空
    
17: new           #3                  //1. 创建对象SingleDoubleCheck，并将对象引用压入栈
20: dup                               //2. 将操作数栈顶的数据复制一份，并将其压入栈，此时栈中有两个引用值
21: invokespecial #4                  //3. pop出栈引用值,调用SingleDoubleCheck其构造函数，完成对象的初始化
24: putstatic     #2                  //4. SingleDoubleCheck对象指向指定类的静态域instance 索引#2

new指令并不能完全创建一个对象，对象只有在调用初始化方法完成后（即调用了invokespecial指令之后），对象才创建成功。
所以instance = new SingleDoubleCheck()并非一个原子操作（atomic）

原子操作就是不可分割的操作，在计算机中，就是指不会因为线程调度被打断的操作。

而在我们现代的计算机中CPU是乱序执行。CPU的速度是超级快的，但同时其价格也是非常昂贵的。为了”充分”压榨CPU， 我们要把CPU的时间进行分片，让各个程序在CPU上轮转，造成一种多个程序同时在运行的假象，即并发。

并发是针对单核 CPU 提出的，而并行则是针对多核 CPU 提出的。和单核 CPU 不同，多核 CPU 真正实现了“同时执行多个任务”

在CPU中为了能够让指令的执行尽可能地同时运行起来，采用了指令流水线。一个 CPU 指令的执行过程可以分成 4 个阶段：取指、译码、执行、写回。这 4 个阶段分别由 4 个独立物理执行单元来完成。理想的情况是：指令之间无依赖，可以使流水线的并行度最大化
但是如果两条指令的前后存在依赖关系，比如数据依赖，控制依赖等，此时后一条语句就必需等到前一条指令完成后，才能开始。所以CPU为了提高流水线的运行效率，对无依赖的前后指令做适当的乱序和调度

接着上面的内容， 在生成字节码后，JVM 的编译器同样也会对其指令进行重排序的优化（指令重排）。

所谓指令重排是指在不改变原语义的情况下，通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快。JVM中并没有规定编译器优化相关的内容，也就是说JVM可以自由的进行指令重排序的优化。

无论是编译期的指令重排还是** CPU 的乱序执行**，主要都是为了让 CPU 内部的指令流水线可以“填满”，提高指令执行的并行度。

指令重排对于非原子性的操作，在不影响最终结果的情况下，其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。instance = new SingleDoubleCheck()的操作1234可能变成1243。这样会存在一个instance已经不为null但是SingleDoubleCheck仍没有完成初始化的状态这个时候其他的线程过来，走到part 1 if (instance == null)处时会产生：明明instance不为空，但是SingleDoubleCheck却没有的问题
这种问题我们如何解决呢？

4. 懒汉式单例 – 双重校验锁 volatile版

不过好在JDK1.5及之后版本增加了volatile关键字。volatile保证该变量对所有线程的可见性,还有一个语义是禁止指令重排序优化，这样可以保证instance变量被赋值的时候对象已经是初始化完成的，从而避免了上面说到的问题。

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/**
 * 懒汉 - 双层校验锁2
 */
public class SingleVolatile {
    private static volatile SingleVolatile instance;// 加上volatile关键字

    private SingleVolatile() {}//将构造器 私有化，防止外部调用

    public static SingleVolatile getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingleVolatile.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingleVolatile();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

我们查看一下 这个文件的字节码：

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$ javap -c SingleVolatile.class
Compiled from "SingleVolatile.java"
public class test.SingleVolatile {
  public static test.SingleVolatile getInstance();
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field instance:Ltest/SingleVolatile;
       3: ifnonnull     37
       6: ldc           #3                  // class test/SingleVolatile
       8: dup
       9: astore_0
      10: monitorenter
      11: getstatic     #2                  // Field instance:Ltest/SingleVolatile;
      14: ifnonnull     27
      17: new           #3                  // class test/SingleVolatile
      20: dup
      21: invokespecial #4                  // Method "<init>":()V
      24: putstatic     #2                  // Field instance:Ltest/SingleVolatile;
      27: aload_0
      28: monitorexit
      29: goto          37
      32: astore_1
      33: aload_0
      34: monitorexit
      35: aload_1
      36: athrow
      37: getstatic     #2                  // Field instance:Ltest/SingleVolatile;
      40: areturn
    Exception table:
       from    to  target type
          11    29    32   any
          32    35    32   any

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: invokestatic  #5                  // Method getInstance:()Ltest/SingleVolatile;
       3: pop
       4: return
}

可以看出和SingleDoubleCheck.class的字节码基本一模一样，看不出啥区别

那我们继续对SingleVolatile.class文件反汇编一下：

-server
-Xcomp
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions
-XX:+PrintAssembly
-XX:CompileCommand=compileonly,*SingleVolatile.getInstance
VM参数我贴了一下，大家感兴趣可以去试试

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...
0x000001cdb13c7313: mov     dword ptr [r11+68h],r10d
  0x000001cdb13c7317: mov     r10,76bf9bc68h    ;   {oop(a 'java/lang/Class' = 'test/SingleVolatile')}
  0x000001cdb13c7321: shr     r10,9h
  0x000001cdb13c7325: mov     r11,1cdbd065000h
  0x000001cdb13c732f: mov     byte ptr [r11+r10],r12l
  0x000001cdb13c7333: lock add dword ptr [rsp],0h  ;*putstatic instance
                                                ; - test.SingleVolatile::getInstance@24 (line 13)

  0x000001cdb13c7338: jmp     1cdb13c71e4h
  0x000001cdb13c733d: mov     rdx,7c0060828h    ;   {metadata('test/SingleVolatile')}
  ...

汇编代码比较长，省略了很多，根据’putstatic’
我们定位到第7行 0x000001cdb13c7333: lock add dword ptr [rsp],0h ;*putstatic instance

我们再对SingleDoubleCheck.class 反汇编一下：
VM参数：

-server
-Xcomp
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions
-XX:+PrintAssembly
-XX:CompileCommand=compileonly,*SingleDoubleCheck.getInstance

它的汇编代码,我们根据’putstatic’同样截取一段：

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  0x00000209690592e4: mov     rax,76bf9bd90h    ;   {oop(a 'java/lang/Class' = 'test/SingleDoubleCheck')}
  0x00000209690592ee: mov     rsi,qword ptr [rsp+20h]
  0x00000209690592f3: mov     r10,rsi
  0x00000209690592f6: shr     r10,3h
  0x00000209690592fa: mov     dword ptr [rax+68h],r10d
  0x00000209690592fe: shr     rax,9h
  0x0000020969059302: mov     rsi,20974cf5000h
  0x000002096905930c: mov     byte ptr [rax+rsi],0h  ;*putstatic instance
                                                ; - test.SingleDoubleCheck::getInstance@24 (line 18)

  0x0000020969059310: mov     rax,76bf9bd90h    ;   {oop(a 'java/lang/Class' = 'test/SingleDoubleCheck')}
  0x000002096905931a: lea     rax,[rsp+28h]
  0x000002096905931f: mov     rdi,qword ptr [rax+8h]
  ...

我们发现第9行 0x000002096905930c: mov byte ptr [rax+rsi],0h ;*putstatic instance
这个时候我们发现了区别 ,加了 “Volatile”关键字后，汇编代码中 多了一个lock，其他的都是正常赋值的汇编语句
我们知道在汇编中 LOCK指令前缀功能如下：

  • 被修饰的汇编指令成为“原子的”
  • 与被修饰的汇编指令一起提供内存屏障效果（LOCK指令可不是内存屏障，不能画等号哦）

内存屏障（Memory Barrier）这里就不展开说了，再说文章越写越多了，我们这里只要知道：
它的几个作用：

  1. 确保一些特定操作执行的顺序,让cpu必须按照顺序执行指令
  2. 另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存，保证任何试图读取该数据的线程将得到会是最新值

instance声明为volatile之后，告诉JVM编译器不允许指令重排优化，告诉CPU不允许乱序执行。这样就保证new 对象等等过程中，一个写操作完成之前，不会调用读操作。这样避免了上面示例3中的说到的问题。

这样懒汉单例 就比较完美了，即保证了效率也是线程安全的。

5. 饿汉式单例

本文到现在一直介绍懒汉实现单例，我们来看下饿汉是怎么实现单例的

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/**
 * 饿汉
 */
public class SingleHungry {
    private static SingleHungry instance = new SingleHungry();

    private SingleHungry() {
    }

    public static SingleHungry getInstance() {
        return instance;
    }
}

这是 饿汉实现单例的标准写法，没啥大问题，线程安全的，执行效率高
缺点：类加载时instance就初始化了，造成资源的浪费；开发者无法手动控制类实例化的时机

6. 懒汉式单例–静态工厂版

介绍一下 《Effective Java》第3版 给出的方法：

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/**
 * 单例 -静态工厂 
 */
public class SingleStatic {
    private static class SingletonHolder{
        public static SingleStatic instance = new SingleStatic();
    }
    private SingleStatic(){}
    
    public static SingleStatic newInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

使用方式： SingleStatic singleStatic = SingleStatic._newInstance_();
我们来看下这种实现方法的巧妙之处：

  • 从内部来看 对于静态内部类SingletonHolder，它是一个饿汉式的单例实现，在SingletonHolder初始化的时候会由ClassLoader来保证同步，使INSTANCE是一个单例。
  • 同时，由于SingletonHolder是一个内部类，只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。从外部看来，又的确是懒汉式的实现

使用类的静态内部类实现的单例模式，既保证了线程安全有保证了懒加载，同时不会因为加锁的方式耗费性能。
推荐这种实现方法

7. 枚举 实现单例

最后再介绍一个《Effective Java》第3版推荐的写法

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public enum SingleInstance {
    INSTANCE;
    public void funDo() {
          System.out.println("doSomething");
    }
}

使用方式：SingleInstance.INSTANCE.funDo(）
这种方法充分 利用枚举的特性，让JVM来帮我们保证线程安全和单一实例的问题。除此之外，写法极其简洁。
分外优雅！

尾语

虽然本文核心通篇是：单例可以 避免创建不必要的对象，减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间
这样可能会让一些人误以为： “JAVA创建对象的代价非常昂贵， 应该要 尽可能地避免创建对象”
事实恰恰相反，由于小对象的构造器只做很少量的显式工作，所以小对象 的创建和回收动作是非常廉价的，特别是在现代的 JVM 实现上更是如此 通过创建附加的 对象，提升程序的清晰性、简洁性和功能性，所以通常是件好事 。

单例模式真的是最简单的设计模式吗？当我们去看其字节码、汇编是如何实现的原理时，往往发现其中细节无数充满前人的智慧结晶，平时我们日常学习中不能过于功利只盯着面试题去刷，也要深入底层去挖掘实现的细节和设计原理。感谢您看到最后。

参考资料：

《深入理解计算机系统》
《Effective Java》
《Java虚拟机规范》
《汇编语言》王爽
https://www.cnblogs.com/xrq730/p/7048693.html
https://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html
https://coolshell.cn/articles/265.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/413889872

本篇文章到这里就结束啦，如果喜欢的话，多多支持，欢迎关注！