Abstract

         在開發(fā)中，如果某個(gè)實(shí)例的創(chuàng)建需要消耗很多系統(tǒng)資源，那么我們通常會(huì)使用惰性加載機(jī)制，也就是說只有當(dāng)使用到這個(gè)實(shí)例的時(shí)候才會(huì)創(chuàng)建這個(gè)實(shí)例，這個(gè)好處在單例模式中得到了廣泛應(yīng)用。這個(gè)機(jī)制在single-threaded環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，然而在multi-threaded環(huán)境下卻存在隱患。本文重點(diǎn)介紹惰性加載機(jī)制以及其在多線程環(huán)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(zhuǎn)載與討論）

1       單例模式的惰性加載
通常當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)單例類的時(shí)候，會(huì)在類的內(nèi)部構(gòu)造這個(gè)類（通過構(gòu)造函數(shù)，或者在定義處直接創(chuàng)建），并對(duì)外提供一個(gè)static getInstance方法提供獲取該單例對(duì)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(diǎn)是：第一次加載類的時(shí)候會(huì)連帶著創(chuàng)建Singleton實(shí)例，這樣的結(jié)果與我們所期望的不同，因?yàn)閯?chuàng)建實(shí)例的時(shí)候可能并不是我們需要這個(gè)實(shí)例的時(shí)候。同時(shí)如果這個(gè)Singleton實(shí)例的創(chuàng)建非常消耗系統(tǒng)資源，而應(yīng)用始終都沒有使用Singleton實(shí)例，那么創(chuàng)建Singleton消耗的系統(tǒng)資源就被白白浪費(fèi)了。

         為了避免這種情況，我們通常使用惰性加載的機(jī)制，也就是在使用的時(shí)候才去創(chuàng)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(dāng)我們第一次調(diào)用Singleton.getInstance()的時(shí)候，這個(gè)單例才被創(chuàng)建，而以后再次調(diào)用的時(shí)候僅僅返回這個(gè)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(lái)：                            

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(gè)線程A和B同時(shí)執(zhí)行了該方法，然后以如下方式執(zhí)行：

1.         A進(jìn)入if判斷，此時(shí)foo為null，因此進(jìn)入if內(nèi)

2.         B進(jìn)入if判斷，此時(shí)A還沒有創(chuàng)建foo，因此foo也為null，因此B也進(jìn)入if內(nèi)

3.         A創(chuàng)建了一個(gè)Foo并返回

4.         B也創(chuàng)建了一個(gè)Foo并返回

此時(shí)問題出現(xiàn)了，我們的單例被創(chuàng)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(jī)制
以上問題最直觀的解決辦法就是給getInstance方法加上一個(gè)synchronize前綴，這樣每次只允許一個(gè)現(xiàn)成調(diào)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(cuò)誤的出現(xiàn)，但是它卻很影響性能：每次調(diào)用getInstance方法的時(shí)候都必須獲得Singleton的鎖，而實(shí)際上，當(dāng)單例實(shí)例被創(chuàng)建以后，其后的請(qǐng)求沒有必要再使用互斥機(jī)制了

3.2     double-checked locking
曾經(jīng)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(lái)看一下這個(gè)代碼是如何工作的：首先當(dāng)一個(gè)線程發(fā)出請(qǐng)求后，會(huì)先檢查instance是否為null，如果不是則直接返回其內(nèi)容，這樣避免了進(jìn)入 synchronized塊所需要花費(fèi)的資源。其次，即使第2節(jié)提到的情況發(fā)生了，兩個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入了第一個(gè)if判斷，那么他們也必須按照順序執(zhí)行 synchronized塊中的代碼，第一個(gè)進(jìn)入代碼塊的線程會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的Singleton實(shí)例，而后續(xù)的線程則因?yàn)闊o(wú)法通過if判斷，而不會(huì)創(chuàng)建多余的實(shí)例。

         上述描述似乎已經(jīng)解決了我們面臨的所有問題，但實(shí)際上，從JVM的角度講，這些代碼仍然可能發(fā)生錯(cuò)誤。

         對(duì)于JVM而言，它執(zhí)行的是一個(gè)個(gè)Java指令。在Java指令中創(chuàng)建對(duì)象和賦值操作是分開進(jìn)行的，也就是說instance = new Singleton();語(yǔ)句是分兩步執(zhí)行的。但是JVM并不保證這兩個(gè)操作的先后順序，也就是說有可能JVM會(huì)為新的Singleton實(shí)例分配空間，然后直接賦值給instance成員，然后再去初始化這個(gè)Singleton實(shí)例。這樣就使出錯(cuò)成為了可能，我們?nèi)匀灰訟、B兩個(gè)線程為例：

1.         A、B線程同時(shí)進(jìn)入了第一個(gè)if判斷

2.         A首先進(jìn)入synchronized塊，由于instance為null，所以它執(zhí)行instance = new Singleton();

3.         由于JVM內(nèi)部的優(yōu)化機(jī)制，JVM先畫出了一些分配給Singleton實(shí)例的空白內(nèi)存，并賦值給instance成員（注意此時(shí)JVM沒有開始初始化這個(gè)實(shí)例），然后A離開了synchronized塊。

4.         B進(jìn)入synchronized塊，由于instance此時(shí)不是null，因此它馬上離開了synchronized塊并將結(jié)果返回給調(diào)用該方法的程序。

5.         此時(shí)B線程打算使用Singleton實(shí)例，卻發(fā)現(xiàn)它沒有被初始化，于是錯(cuò)誤發(fā)生了。

4       通過內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)多線程環(huán)境中的單例模式
為了實(shí)現(xiàn)慢加載，并且不希望每次調(diào)用getInstance時(shí)都必須互斥執(zhí)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(nèi)部的機(jī)制能夠保證當(dāng)一個(gè)類被加載的時(shí)候，這個(gè)類的加載過程是線程互斥的。這樣當(dāng)我們第一次調(diào)用getInstance的時(shí)候，JVM能夠幫我們保證instance只被創(chuàng)建一次，并且會(huì)保證把賦值給instance的內(nèi)存初始化完畢，這樣我們就不用擔(dān)心3.2中的問題。此外該方法也只會(huì)在第一次調(diào)用的時(shí)候使用互斥機(jī)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(shí)被創(chuàng)建的，而 SingletonContainer類則在調(diào)用getInstance方法的時(shí)候才會(huì)被加載，因此也實(shí)現(xiàn)了惰性加載。

本文來(lái)自CSDN博客，轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)明出處：http://blog.csdn.net/fancyerII/archive/2010/03/15/5382349.aspx