深入浅出单实例Singleton设计模式
陳皓
前序
單實(shí)例Singleton設(shè)計(jì)模式可能是被討論和使用的最廣泛的一個(gè)設(shè)計(jì)模式了，這可能也是面試中問得最多的一個(gè)設(shè)計(jì)模式了。這個(gè)設(shè)計(jì)模式主要目的是想在整個(gè)系統(tǒng)中只能出現(xiàn)一個(gè)類的實(shí)例。這樣做當(dāng)然是有必然的，比如你的軟件的全局配置信息，或者是一個(gè)Factory，或是一個(gè)主控類，等等。你希望這個(gè)類在整個(gè)系統(tǒng)中只能出現(xiàn)一個(gè)實(shí)例。當(dāng)然，作為一個(gè)技術(shù)負(fù)責(zé)人的你，你當(dāng)然有權(quán)利通過使用非技術(shù)的手段來達(dá)到你的目的。比如：你在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部明文規(guī)定，“XX類只能有一個(gè)全局實(shí)例，如果某人使用兩次以上，那么該人將被處于2000元的罰款！”（呵呵），你當(dāng)然有權(quán)這么做。但是如果你的設(shè)計(jì)的是東西是一個(gè)類庫(kù)，或是一個(gè)需要提供給用戶使用的API，恐怕你的這項(xiàng)規(guī)定將會(huì)失效。因?yàn)?#xff0c;你無(wú)權(quán)要求別人會(huì)那么做。所以，這就是為什么，我們希望通過使用技術(shù)的手段來達(dá)成這樣一個(gè)目的的原因。
本文會(huì)帶著你深入整個(gè)Singleton的世界，當(dāng)然，我會(huì)放棄使用C++語(yǔ)言而改用Java語(yǔ)言，因?yàn)槭褂肑ava這個(gè)語(yǔ)言可能更容易讓我說明一些事情。
Singleton的教學(xué)版本
這里，我將直接給出一個(gè)Singleton的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲蚁嘈拍阋呀?jīng)有這方面的一些基礎(chǔ)了。我們姑且把這具版本叫做1.0版
在上面的實(shí)例中，我想說明下面幾個(gè)Singleton的特點(diǎn)：（下面這些東西可能是盡人皆知的，沒有什么新鮮的）
當(dāng)然，如果你覺得知道了上面這些事情后就學(xué)成了，那我給你當(dāng)頭棒喝一下了，事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有那么簡(jiǎn)單。
Singleton的實(shí)際版本
上面的這個(gè)程序存在比較嚴(yán)重的問題，因?yàn)槭侨中缘膶?shí)例，所以，在多線程情況下，所有的全局共享的東西都會(huì)變得非常的危險(xiǎn)，這個(gè)也一樣，在多線程情況下，如果多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用getInstance()的話，那么，可能會(huì)有多個(gè)進(jìn)程同時(shí)通過 (singleton== null)的條件檢查，于是，多個(gè)實(shí)例就創(chuàng)建出來，并且很可能造成內(nèi)存泄露問題。嗯，熟悉多線程的你一定會(huì)說——“我們需要線程互斥或同步”，沒錯(cuò)，我們需要這個(gè)事情，于是我們的Singleton升級(jí)成1.1版，如下所示：
嗯，使用了Java的synchronized方法，看起來不錯(cuò)哦。應(yīng)該沒有問題了吧？！錯(cuò)！這還是有問題！為什么呢？前面已經(jīng)說過，如果有多個(gè)線程同時(shí)通過(singleton== null)的條件檢查（因?yàn)樗麄儾⑿羞\(yùn)行），雖然我們的synchronized方法會(huì)幫助我們同步所有的線程，讓我們并行線程變成串行的一個(gè)一個(gè)去new，那不還是一樣的嗎？同樣會(huì)出現(xiàn)很多實(shí)例。嗯，確實(shí)如此！看來，還得把那個(gè)判斷(singleton== null)條件也同步起來。于是，我們的Singleton再次升級(jí)成1.2版本，如下所示：
?不錯(cuò)不錯(cuò)，看似很不錯(cuò)了。在多線程下應(yīng)該沒有什么問題了，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?yàn)槲覀兺搅怂械木€程。只不過嘛……，什么？！還不行？！是的，還是有點(diǎn)小問題，我們本來只是想讓new這個(gè)操作并行就可以了，現(xiàn)在，只要是進(jìn)入getInstance()的線程都得同步啊，注意，創(chuàng)建對(duì)象的動(dòng)作只有一次，后面的動(dòng)作全是讀取那個(gè)成員變量，這些讀取的動(dòng)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(gè)初始化的創(chuàng)建動(dòng)作，居然讓我們達(dá)上了所有的讀操作，嚴(yán)重影響后續(xù)的性能啊！
還得改！嗯，看來，在線程同步前還得加一個(gè)(singleton== null)的條件判斷，如果對(duì)象已經(jīng)創(chuàng)建了，那么就不需要線程的同步了。OK，下面是1.3版的Singleton。
感覺代碼開始變得有點(diǎn)羅嗦和復(fù)雜了，不過，這可能是最不錯(cuò)的一個(gè)版本了，這個(gè)版本又叫“雙重檢查”Double-Check。下面是說明：
相當(dāng)不錯(cuò)啊，干得非常漂亮！請(qǐng)大家為我們的1.3版起立鼓掌！
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Singleton的其它問題
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怎么？還有問題？！當(dāng)然還有，請(qǐng)記住下面這條規(guī)則——“無(wú)論你的代碼寫得有多好，其只能在特定的范圍內(nèi)工作，超出這個(gè)范圍就要出Bug了”，這是“陳式第一定理”，呵呵。你能想一想還有什么情況會(huì)讓這個(gè)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(huán)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(dāng)然，有些反例可能屬于鉆牛角尖，可能有點(diǎn)學(xué)院派，不過也不排除其實(shí)際可能性，就算是提個(gè)醒吧）：
其一、Class Loader。不知道你對(duì)Java的Class Loader熟悉嗎？“類裝載器”？！C++可沒有這個(gè)東西啊。這是Java動(dòng)態(tài)性的核心。顧名思義，類裝載器是用來把類(class)裝載進(jìn)JVM的。JVM規(guī)范定義了兩種類型的類裝載器：啟動(dòng)內(nèi)裝載器(bootstrap)和用戶自定義裝載器(user-defined class loader)。 在一個(gè)JVM中可能存在多個(gè)ClassLoader，每個(gè)ClassLoader擁有自己的NameSpace。一個(gè)ClassLoader只能擁有一個(gè)class對(duì)象類型的實(shí)例，但是不同的ClassLoader可能擁有相同的class對(duì)象實(shí)例，這時(shí)可能產(chǎn)生致命的問題。如ClassLoaderA，裝載了類A的類型實(shí)例A1，而ClassLoaderB，也裝載了類A的對(duì)象實(shí)例A2。邏輯上講A1=A2，但是由于A1和A2來自于不同的ClassLoader，它們實(shí)際上是完全不同的，如果A中定義了一個(gè)靜態(tài)變量c，則c在不同的ClassLoader中的值是不同的。
于是，如果咱們的Singleton 1.3版本如果面對(duì)著多個(gè)Class Loader會(huì)怎么樣？呵呵，多個(gè)實(shí)例同樣會(huì)被多個(gè)Class Loader創(chuàng)建出來，當(dāng)然，這個(gè)有點(diǎn)牽強(qiáng)，不過他確實(shí)存在。難道我們還要整出個(gè)1.4版嗎？可是，我們?cè)趺纯赡茉谖业腟ingleton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(gè)Class Loader不會(huì)裝載同一個(gè)Singleton”。
其二、序例化。如果我們的這個(gè)Singleton類是一個(gè)關(guān)于我們程序配置信息的類。我們需要它有序列化的功能，那么，當(dāng)反序列化的時(shí)候，我們將無(wú)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：
其三、多個(gè)Java虛擬機(jī)。如果我們的程序運(yùn)行在多個(gè)Java的虛擬機(jī)中。什么？多個(gè)虛擬機(jī)？這是一種什么樣的情況啊。嗯，這種情況是有點(diǎn)極端，不過還是可能出現(xiàn)，比如EJB或RMI之流的東西。要在這種環(huán)境下避免多實(shí)例，看來只能通過良好的設(shè)計(jì)或非技術(shù)來解決了。
其四，volatile變量。關(guān)于volatile這個(gè)關(guān)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，并且運(yùn)行時(shí)開銷也較少，但是它所能實(shí)現(xiàn)的功能也僅是synchronized的一部分。當(dāng)然，如前面所述，我們需要的Singleton只是在創(chuàng)建的時(shí)候線程同步，而后面的讀取則不需要同步。所以，volatile變量并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+版后才能使用。
其五、關(guān)于繼承。是的，繼承于Singleton后的子類也有可能造成多實(shí)例的問題。不過，因?yàn)槲覀冊(cè)绨裇ingleton的構(gòu)造函數(shù)聲明成了私有的，所以也就杜絕了繼承這種事情。
其六，關(guān)于代碼重用。也話我們的系統(tǒng)中有很多個(gè)類需要用到這個(gè)模式，如果我們?cè)诿恳粋€(gè)類都中有這樣的代碼，那么就顯得有點(diǎn)傻了。那么，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?yàn)橛心０搴陀言?#xff0c;還支持棧上分配內(nèi)存，所以比較容易一些（程序如下所示），Java下可能比較復(fù)雜一些，聰明的你知道怎么做嗎？
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的深入浅出单实例Singleton设计模式的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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