Abstract

         在開發中，如果某個實例的創建需要消耗很多系統資源，那么我們通常會使用惰性加載機制，也就是說只有當使用到這個實例的時候才會創建這個實例，這個好處在單例模式中得到了廣泛應用。這個機制在single-threaded環境下的實現非常簡單，然而在multi-threaded環境下卻存在隱患。本文重點介紹惰性加載機制以及其在多線程環境下的使用方法。（作者numberzero，參考IBM文章《Double-checked locking and the Singleton pattern》，歡迎轉載與討論）

1       單例模式的惰性加載
通常當我們設計一個單例類的時候，會在類的內部構造這個類（通過構造函數，或者在定義處直接創建），并對外提供一個static getInstance方法提供獲取該單例對象的途徑。例如：

Java代碼 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20class%20Singleton%20%20%20%20%20%20%0A%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20static%20Singleton%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20Singleton()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%E2%80%A6%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20public%20static%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20return%20instance%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%20%20%0A" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   class  Singleton        
{        
    private   static  Singleton instance =  new  Singleton();        
    private  Singleton(){        
        …        
    }        
    public   static  Singleton getInstance(){        
             return  instance;         
    }        
}       
public class Singleton     
{     
    private static Singleton instance = new Singleton();     
    private Singleton(){     
        …     
    }     
    public static Singleton getInstance(){     
             return instance;      
    }     
}    

         這樣的代碼缺點是：第一次加載類的時候會連帶著創建Singleton實例，這樣的結果與我們所期望的不同，因為創建實例的時候可能并不是我們需要這個實例的時候。同時如果這個Singleton實例的創建非常消耗系統資源，而應用始終都沒有使用Singleton實例，那么創建Singleton消耗的系統資源就被白白浪費了。

         為了避免這種情況，我們通常使用惰性加載的機制，也就是在使用的時候才去創建。以上代碼的惰性加載代碼如下：

Java代碼 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20class%20Singleton%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20static%20Singleton%20instance%20%3D%20null%3B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20Singleton()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%E2%80%A6%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20public%20static%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20(instance%20%3D%3D%20null)%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20return%20instance%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%20%20%0A" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   class  Singleton{        
    private   static  Singleton instance =  null ;        
    private  Singleton(){        
        …        
    }        
    public   static  Singleton getInstance(){        
        if  (instance ==  null )        
            instance = new  Singleton();         
                return  instance;         
    }        
}       
public class Singleton{     
    private static Singleton instance = null;     
    private Singleton(){     
        …     
    }     
    public static Singleton getInstance(){     
        if (instance == null)     
            instance = new Singleton();      
                return instance;      
    }     
}    
 
         這樣，當我們第一次調用Singleton.getInstance()的時候，這個單例才被創建，而以后再次調用的時候僅僅返回這個單例就可以了。

2       惰性加載在多線程中的問題
先將惰性加載的代碼提取出來：                            

Java代碼 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20static%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20if%20(instance%20%3D%3D%20null)%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20return%20instance%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%20" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   static  Singleton getInstance(){        
    if  (instance ==  null )        
    instance = new  Singleton();         
    return  instance;         
}      
public static Singleton getInstance(){     
    if (instance == null)     
    instance = new Singleton();      
    return instance;      
}             這是如果兩個線程A和B同時執行了該方法，然后以如下方式執行：

1.         A進入if判斷，此時foo為null，因此進入if內

2.         B進入if判斷，此時A還沒有創建foo，因此foo也為null，因此B也進入if內

3.         A創建了一個Foo并返回

4.         B也創建了一個Foo并返回

此時問題出現了，我們的單例被創建了兩次，而這并不是我們所期望的。

3       各種解決方案及其存在的問題
3.1     使用Class鎖機制
以上問題最直觀的解決辦法就是給getInstance方法加上一個synchronize前綴，這樣每次只允許一個現成調用getInstance方法：

Java代碼 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20static%20synchronized%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20if%20(instance%20%3D%3D%20null)%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20return%20instance%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%20%20%0A" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   static   synchronized  Singleton getInstance(){        
    if  (instance ==  null )        
    instance = new  Singleton();         
    return  instance;         
}       
public static synchronized Singleton getInstance(){     
    if (instance == null)     
    instance = new Singleton();      
    return instance;      
}    
    這種解決辦法的確可以防止錯誤的出現，但是它卻很影響性能：每次調用getInstance方法的時候都必須獲得Singleton的鎖，而實際上，當單例實例被創建以后，其后的請求沒有必要再使用互斥機制了

3.2     double-checked locking
曾經有人為了解決以上問題，提出了double-checked locking的解決方案

Java代碼 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20static%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20if%20(instance%20%3D%3D%20null)%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20synchronized(instance)%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if(instance%20%3D%3D%20null)%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20return%20instance%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%7D" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   static  Singleton getInstance(){        
    if  (instance ==  null )        
        synchronized (instance){        
            if (instance ==  null )        
                instance = new  Singleton();        
        }        
    return  instance;         
}  
public static Singleton getInstance(){     
    if (instance == null)     
        synchronized(instance){     
            if(instance == null)     
                instance = new Singleton();     
        }     
    return instance;      
}         讓我們來看一下這個代碼是如何工作的：首先當一個線程發出請求后，會先檢查instance是否為null，如果不是則直接返回其內容，這樣避免了進入 synchronized塊所需要花費的資源。其次，即使第2節提到的情況發生了，兩個線程同時進入了第一個if判斷，那么他們也必須按照順序執行 synchronized塊中的代碼，第一個進入代碼塊的線程會創建一個新的Singleton實例，而后續的線程則因為無法通過if判斷，而不會創建多余的實例。

         上述描述似乎已經解決了我們面臨的所有問題，但實際上，從JVM的角度講，這些代碼仍然可能發生錯誤。

         對于JVM而言，它執行的是一個個Java指令。在Java指令中創建對象和賦值操作是分開進行的，也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執行的。但是JVM并不保證這兩個操作的先后順序，也就是說有可能JVM會為新的Singleton實例分配空間，然后直接賦值給instance成員，然后再去初始化這個Singleton實例。這樣就使出錯成為了可能，我們仍然以A、B兩個線程為例：

1.         A、B線程同時進入了第一個if判斷

2.         A首先進入synchronized塊，由于instance為null，所以它執行instance = new Singleton();

3.         由于JVM內部的優化機制，JVM先畫出了一些分配給Singleton實例的空白內存，并賦值給instance成員（注意此時JVM沒有開始初始化這個實例），然后A離開了synchronized塊。

4.         B進入synchronized塊，由于instance此時不是null，因此它馬上離開了synchronized塊并將結果返回給調用該方法的程序。

5.         此時B線程打算使用Singleton實例，卻發現它沒有被初始化，于是錯誤發生了。

4       通過內部類實現多線程環境中的單例模式
為了實現慢加載，并且不希望每次調用getInstance時都必須互斥執行，最好并且最方便的解決辦法如下：

Java代碼 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20class%20Singleton%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20Singleton()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%E2%80%A6%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20static%20class%20SingletonContainer%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20private%20static%20Singleton%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20public%20static%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20SingletonContainer.instance%3B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%20%20%0A" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   class  Singleton{        
    private  Singleton(){        
        …        
    }        
    private   static   class  SingletonContainer{        
        private   static  Singleton instance =  new  Singleton();        
    }        
    public   static  Singleton getInstance(){        
        return  SingletonContainer.instance;        
    }        
}       
public class Singleton{     
    private Singleton(){     
        …     
    }     
    private static class SingletonContainer{     
        private static Singleton instance = new Singleton();     
    }     
    public static Singleton getInstance(){     
        return SingletonContainer.instance;     
    }     
}    
       JVM內部的機制能夠保證當一個類被加載的時候，這個類的加載過程是線程互斥的。這樣當我們第一次調用getInstance的時候，JVM能夠幫我們保證instance只被創建一次，并且會保證把賦值給instance的內存初始化完畢，這樣我們就不用擔心3.2中的問題。此外該方法也只會在第一次調用的時候使用互斥機制，這樣就解決了3.1中的低效問題。最后instance是在第一次加載SingletonContainer類時被創建的，而 SingletonContainer類則在調用getInstance方法的時候才會被加載，因此也實現了惰性加載。

本文來自CSDN博客，轉載請標明出處：http://blog.csdn.net/fancyerII/archive/2010/03/15/5382349.aspx