「谈谈设计模式」之单例模式

hunterXYZ2024-06-05 14:07

单例模式应该是设计模式中最为常见的一种了，今天我们来讨论一下单例模式的几种实现方式，再谈谈笔者主观偏好以及其中的为什么。

定义

单例，顾名思义，就是一个类只有一个对象实例。什么情况下一个类只需要一个实例呢？当一个类代表了一个全局的资源时，或者一个类的实例化成本很高，只需要一个实例就可以满足要求的情况下，我们就会倾向于使用单例模式。比如全局的线程池，对一个数据库连接对象，全局缓存对象等等。

照理来说，我们无需对类做任何特殊的处理，只需要保证使用的时候只实例化一次就可以了。但这种以约定作为保证的方式会随着时间的推进，无心的使用而很容易被破坏，这一点也不安全。这就是单例模式发挥作用的时候了，单例模式就是安全的保障一个类只能被实例化一次的实现方式。

实现方式

单例模式的实现方式有很多种，按照对象实例化的时机，可以把实现方式粗略分为 Eager 和 Lazy 两种类型。下面我们就来看看一些常见的实现方式。

Eager(饿汉式)

java 复制代码 
public class SingletonEager {
    // 1
    private static final SingletonEager INSTANCE = new SingletonEager();
    // 2
    private SingletonEager() {
    }
    // 3
    public static SingletonEager getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

代码很简单， part1 声明对象并实例化，part2 把构造函数声明为 private，这样从外部就无法调用构造函数，这样保证了这个类无法在外部被实例化，part3 通过一个方法返回这个实例。这就是著名的饿汉式，Eager 翻译为急切的意思，这个翻译着实有趣。

这种实现方式利用了类的加载机制，JVM 会保证一个类只会被加载一次，在加载一个类的时候，类的 static 成员变量也会被加载，即 part1 就会执行实例化，这样就保证了 INSTANCE 会且仅仅被实例化一次。

Lazy-1(饱汉式/懒汉式)

java 复制代码 
public class SingletonLazy1 {
    // 1
    private static SingletonLazy1 INSTANCE;
    // 2
    private SingletonLazy1() {
    }
    // 3
    public static SingletonLazy1 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
          	// 3.1
            INSTANCE = new SingletonLazy1();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

对比上面的 Eager 模式，我们把 part1 的 实例化过程挪到了 part3 里面，这样在加载类的时候并不会在 part1 处就被实例化，而是在切实调用 getInstance() 的时候才会实例化，这也是为什么被称为 lazy 模式，这里的翻译同样有趣，懒汉式可以理解为 lazy 的直译，但饱汉式应该是和饿汉式对应强行套用"饱汉子不知饿汉子饥"的俗语，单独使用这个翻译并不直观。

有经验的同学会指出这里其实并不安全，如果是多线程环境的话这里有可能会出错，如果第一个线程进到 3.1 处时被切走，后面的线程可能会进入到 3.1 处，这样就会实例化多次了，说明这种模式在多线程环境确实是不够健壮的。

Lazy-2

java 复制代码 
public class SingletonLazy2 {
    // 1
    private static SingletonLazy2 INSTANCE;
    // 2
    private SingletonLazy2() {
    }
    // 3
    public static synchronized SingletonLazy2 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new SingletonLazy2();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

在 lazy1 的基础上在 part3 加了同步控制，这样在多线程环境下也安全了。代价是 getInstance 方法被加了锁，调用效率会降低。于是我们又有了如下变种

Lazy-3

java 复制代码 
public class SingletonLazy3 {
    // 1
    private static SingletonLazy3 INSTANCE;

    // 2
    private SingletonLazy3() {
    }

    // 3
    public static SingletonLazy3 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            // 3.1
            synchronized (SingletonLazy3.class) {
                // 3.2
                if (INSTANCE == null) {
                    // 3.3
                    INSTANCE = new SingletonLazy3();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

我们把 lazy2 中的 synchronized 关键字挪到了 3.1，只有当 INSTANCE 还未实例化时，才会进入到 synchronized 块，加入3.2 的双重判断的原因是：如果两个线程同时执行到 3.1，即使第一个线程先获取到锁进入3.3 执行了，另外一个线程在等待完成获得锁之后依然会进入 synchronized 块，如果没有 3.2 的判断，3.3 会被再次执行。而当 INSTANCE 有值后，再调用 getInstance() 都不会进去 synchronized 块，这就是锁粒度细化带来的好处。

性能对比

上面关于加锁的内容很多地方都这么提到过，但是关键的效率具体会降低多少呢？似乎没有人回答，我们就来测测看：首先因为 getInstance() 方法执行都会很快，多个线程同时执行 getInstance() 的几率其实非常之低，所以我们以占实际场景 99.99% 以上的单线程执行来测试一下效率：

kotlin 复制代码 
fun main(args: Array<String>) {
    val repeatTimes = 1000_000
  
  	// part1 empty block
    val emptyBlockTime = measureTimeMillis {
        repeat(repeatTimes) {}
    }
    println("emptyBlock:  $emptyBlockTime")
  
  	// part2 none Sync
    val nonSyncTime = measureTimeMillis {
        repeat(repeatTimes) { SingletonLazy1.getInstance() }
    }
    println("nonSyncTime: $nonSyncTime")
  
  	// part3 big Sync
    val syncTime = measureTimeMillis {
        repeat(repeatTimes) { SingletonLazy2.getInstance() }
    }
    println("syncTime:    $syncTime")
  
  	// part4 less Sync
    val syncLessTime = measureTimeMillis {
        repeat(repeatTimes) { SingletonLazy3.getInstance() }
    }
    println("syncLessTime:$syncLessTime")
}

fun printlnWithTime(message: Any) {
    println("${System.currentTimeMillis()}: $message")
}

// log
emptyBlock:  3
nonSyncTime: 6
syncTime:    7
syncLessTime:5

我们 repeat 100w 次，分别执行四个场景，part1 什么都不做，作为基准，part2 为不同步版本，part3 方法同步版本，part4 double check 同步版本。可以看出 nonSyncTime 在 emptyBlock 的基础上增了 3，syncTime 增加了 4，syncLessTime 增加了 5，在 100w 这个量级上可以看出差别并不大，这个结果我执行了多次才得到接近于预期的结果，甚至有可能 syncTime 比 nonSyncTime 还低，只有当 repeat 次数高于 1000w，两者的效率才能拉出数量级的差别，相信在后端的代码能够达成这个量级的调用是有可能的，但在 Android 端这几乎不可能。

ClassLoader Lazy

类会保证只被加载一次，子类在父类被加载的时候而自己没被访问的时候不会被加载，组合这两个特性，我们就能得到一种类加载器的懒加载版本：

java 复制代码 
public class SingletonLazyClassLoader {

    // 1
    private SingletonLazyClassLoader() {
    }

    // 2
    public static SingletonLazyClassLoader getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    // 3. Static declarations in inner classes are not supported at language level '8',upgrade to jdk16+
    private static class SingletonHolder {
        static SingletonLazyClassLoader INSTANCE = new SingletonLazyClassLoader();
    }
}

和 lazy-2 以及 lazy-3 的版本相比，instance 不再由外层的 SingletonLazyClassLoader 持有，这样在首次加载 SingletonLazyClassLoader 类的时候就不会实例化 instance，做到了懒加载，只有在首次调用 getInstance 方法的时候才会加载内部的 SingletonHolder 类，这时 instance 才会被实例化，而因为内部类能够访问外部类的私有方法，所以能够实例化外部类，这个实例化的过程又由类加载机制帮我们保证了只会实例化一次，足够巧妙。之所以用 static 的内部类是因为在 Java 17 之前普通内部类不能持有 static 的属性，在 Java17 之后无此限制。

Enum - 另一种Eager

枚举类的每一个枚举量都只有一个实例，我们来看一看枚举的实现和细节：

java 复制代码 
// define
public enum SingletonEnum {
    ENUM1;
}

// decompile
// access flags 0x4019
public final static enum Lcom/hunter/kotlin/coroutine/learn/other/SingletonEnum; ENUM1

// static 块
static <clinit>()V	
  ...
  ICONST_0
  NEW com/hunter/kotlin/coroutine/learn/other/SingletonEnum // new 对象
  DUP
  LDC "ENUM1" // 赋值给 ENUM1 成员
  ...

可以看到 Enum 枚举量在内部也是一个 static 的成员，并且在 static 块内部做了实例化，所以这其实和我们手动实现的 Eager 方式等价。

Kotlin 中的单例

Eager

kotlin 提供了一个 object 关键字，被此修饰的就是一个单例对象：

kotlin 复制代码 
// 1. define
object SingletonObject {}

// decompile
public final class SingletonObject {
   @NotNull
   public static final SingletonObject INSTANCE;

   private SingletonObject() {
   }

   static {
      SingletonObject var0 = new SingletonObject();
      INSTANCE = var0;
   }
}

可以看到 decompile 后的实现与我们在上面的 Eager(饿汉式) 的实现基本等价。人生苦短，用好 kotlin 语法糖。

Lazy

kotlin 可以通过委托方式把对象的获取交给代理对象，下面我们看看如果通过委托实现 Lazy 的单例模式：

kotlin 复制代码 
// 1. define
class SingletonLazy private constructor() {
    companion object {
        val INSTANCE: SingletonLazy by lazy { SingletonLazy() }
    }
}

// 2. lazy
public actual fun <T> lazy(initializer: () -> T): Lazy<T> = SynchronizedLazyImpl(initializer)

// 3. SynchronizedLazyImpl
private class SynchronizedLazyImpl<out T>(initializer: () -> T, lock: Any? = null) : Lazy<T>, Serializable {
  	// 3.1
    private var initializer: (() -> T)? = initializer
    @Volatile private var _value: Any? = UNINITIALIZED_VALUE
    private val lock = lock ?: this

    override val value: T
        get() {
            val _v1 = _value
          	// 3.2
            if (_v1 !== UNINITIALIZED_VALUE) {
                @Suppress("UNCHECKED_CAST")
                return _v1 as T
            }

          	// 3.3
            return synchronized(lock) {
                val _v2 = _value
              	// 3.4
                if (_v2 !== UNINITIALIZED_VALUE) {
                    @Suppress("UNCHECKED_CAST") (_v2 as T)
                } else {
                  	// 3.5
                    val typedValue = initializer!!()
                    _value = typedValue
                    initializer = null
                    typedValue
                }
            }
        }
}

我们在 part1 中就定义了一个可以懒加载的单例对象 INSTANCE，使用时直接调用 SingletonLazy.INSTANCE。定义的 by lazy 实际调用了 part2 的 lazy 方法，返回了一个 SynchronizedLazyImpl 对象(part3)，从名字看我们可以推测内部有同步代码的实现。进入 part3 内部，首先我们可以看到 3.1 的 initializer block，就是我们在 part1 中用来创建 SingletonLazy 的部分，part3.2 做了一个检查，如果已经初始化了，就直接返回，part3.3 则是同步代码块，part3.4 在内部做了第二次判断，part3.5 则是正式做了初始化，这个实现跟我们在 Lazy-3 中的实现基本等价，但是 kotlin 再次大大简化了我们的实现，再次拥抱 kotlin。

如何应用

Eager / Lazy ？

lazy 的方法大多看来不算简单， eager 是最省事的，但代价是什么？内存提前被占用。如果一个单例对象占用的内存较大，那么这种提前占用就是一种浪费，所以我们需要 lazy 模式。但：

  1. 我们的单例对象似乎很多并不算大，一个最简单的对象占用的内存在 16 byte，如果采用内部类持有的方式，一个类被加载到内存中占用的内存数量级在 1kb 左右，虽然两者的内存区域不同
  2. 在上述的单例实现中，一个静态成员变量只有在类被主动加载(一般不会做)或者调用静态方法时才会被加载，所以只要没有其他不需要单例对象就可以调用的静态方法，类就不会被加载，这就意味着上述的 Eager 和 Lazy 其实是等价的

不要过早优化，优化应该基于现状，而不是想象。所以我推荐如果没有非常明确的情况，首先使用 Eager 方式，不要在无谓的地方增加复杂度，只有在根据数据分析出此处产生瓶颈时再做优化。

需要单例吗？

如果你要实现的只是一个工具类，那么你可能只需要一个 static 的类和方法，你甚至不需要实例化一个对象，根据自己的情况灵活处理。

防止反序列化？

关于防止反序列化，笔者曾看到一种说法，重写 readResolve 方法，返回单例对象：

java 复制代码 
public class Singleton implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    // 确保序列化和反序列化过程中保持单例
    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return instance;
    }
}

但这里貌似有一个逻辑的悖论：如果反序列化没有用到序列化的数据，那序列化的意义又在哪里。笔者不曾遇到过需要序列化和反序列化的单例场景，有用过的可以在评论区互动一下。

局部单例

在某个范围内部只有一个对象实例，在全局可能有多个对象实例，我称之为局部单例，比如 DI 框架里的 scope 概念就是基于此的，后面有机会可以展开详解。

总结

单例模式就是保证只有一个对象实例的一种实现方式，按照对象的实例化时机分为 Eager 和 Lazy 模式，保证单例的机制主要有两种：类加载器模式和手动同步控制两种。在多数情况下，Eager 其实跟 Lazy 模式效果类似，所以推荐首先使用 Eager 模式，另外，用好 Kotlin，生活更美好。

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