当Singleton遇到multi-threading

时间：2022-09-23 21:00:10
Singleton可能是所有设计模式中最简单的设计模式啦。它是如此的简单，以至于当我们看着它的UML图的时候会为终于没有了恼人的连线而雀跃，我们 也不用去记忆并体会它有多么强大的功能、多么高深的实现技巧。使用它的理由只有一个――得到一个Class的唯一的Object。它的实现是如此简单，以 至于你会怪我把它的Code列在下面是在浪费服务器空间。但是，天下并没有这么爽的事儿，当Singleton遇到multi-threading，一些 不为人所知的陷阱悄悄的浮上了水面，我们不得不小心应对它们。一下的示例以Java作为编程语言，讨论了multi-threading下实现 Singleton的策略，并顺便告诉你几个关于Java实现Singleton的、你可能不知道的tricky things。
public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance(){
        if(uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

这是典型的Singleton的实现，在single-threading下，它没有任何问题。但是，你能告诉我在multi-threading下，可 能会发生什么事情么？multi-threading是顽皮的小孩，它不保证各个线程执行的顺序，所以，会有一种可能，if (uniqueInstance == null)这个判断会在不同的线程中连续执行。让我们看看最简单的、只有两个线程的情况：
thread 1                             thread 2                             uniqueInstance
if(uniqueInstance == null)                                                null
                                     if(uniqueInstance == null)           null
uniqueInstance = new Singleton();                                         new object
                                     uniqueInstance = new Singleton();    new object
看到了么？产生了两个不同的Object！这不一定永远是坏事，比如这是一个在线购物的控制系统，那么你可能会用一件衣服的钱买到两件衣服，虽然也有可能 是你付了钱，但是没得到衣服，但是概率是50%对50%的，也不是什么大不了的事儿～但是，如果这是一个铁路调度控制系统呢？火车也许会相撞。如果这是一 个核反应堆的控制系统呢？一个城市可能就变成废墟了（当然，也许你希望这发生在日本）。

OK！我们达成了一致，这确实是个大问题。我们怎么解决它？“我们可以用synchronized！”有人兴奋的叫到：“真是个好主意！”好，我们来试试看～
public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}
好样的！现在同一时刻只有一个线程能调用getInstance()方法，不会存在城市被炸平的悲剧了，我们拯救了几百万人（上海的话，一千多万人）！我 代表他们感谢你，但是，过不了多久就有人会站出来抱怨：“为什么系统的速度变慢了？”这些没良心的人们，这么快就忘记了这段code拯救了他们的性命，竟 然抱怨起了这么小的问题！愤愤之余，你开始思考速度变慢的原因。

啊，synchronized，它使得原本并行的访问变成了串行，这是性能的瓶颈，有什么办法可以解决吗？当然，有人站了出来：“我有投机取巧的方法。”
public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}
问题解决了～JVM会在所有线程之前先实例化一个Object，所有的getInstance()调用都是在引用这个预先产生的Object，不会有任何的问题啦～

但是，完美主义的我们并不满意：“无论是否使用这个Class，都会预先产生一个Object，这很不优雅！”那我们就看看优雅的解决方案。考虑一下 multi-threading下出现错误的原因，并不是因为不同的线程同时调用了getInstance()方法，而是if (uniqueInstance == null)出现了意想不到的排列，也就是说，只有在产生Object的时候，才会有multi-threading的问题，当 uniqueInstance != null时，多少个线程都不会有问题。因此，我们得到了结论：只需要对创建Object的code上锁就可以了。
public class Singleton {

    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}
关键字volatile可以保证uniqueInstance可以被同时运行的若干个线程正确的修改，而getInstance()方法体中的写法则保证 了细力度的线程锁。注意，uniqueInstance == null被判断了两次，这是必要的，这种方法叫做Double-checked locking。

噹噹噹噹～任务完成，Singleton不在惧怕multi-threading啦！让我们来看看关于Java实现Singleton的tricky things。
  • Double-checked locking最好只在Java 5中使用。在Java 1.4以及之前版本的诸多实现中，volatile关键字都被错误的实现，这会导致Double-checked locking的不正确执行。
  • 在Java 1.2以及之前的版本中，JVM的垃圾回收器存在一个bug：当一个Singleton的Object不存在全局引用（即只有自身的instance变量 在引用这Object）的时候，垃圾回收器会回收这个Object。也就是说，在这种情况下，getIntance()会得到一个新的Object，这不会导致城市被炸平，但是会导致做了10年的核反应成果突然消失，当然不是我们想要的。
  • Java允许不同的Class Loader创建自己的Object，它们用namespace来区别这些Object。因此，当你的Singleton设计Class Loader时，最好在获取Object的时候同时指定它的Class Loader。
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