Java单例中的延迟加载

你的名字 2022-08-09 18:50 183阅读 0赞

在用Java实际开发的时候我们经常要用到单例模式，一般来说，单例类的实例只能通过静态工厂方法来创建，我们也许会这样写：

public final class Singleton  
    {  
        private static Singleton singObj = new Singleton();  
      
        private Singleton(){  
        }  
      
        public static Singleton getSingleInstance(){  
           return singObj；
        }  
    }

这种方法可能会带来潜在的性能问题：如果这个对象很大呢？没有使用这个对象之前，就把它加载到了内存中去是一种巨大的浪费。因此我们希望在用到它的时候再加载它，这种设计思想就是延迟加载（Lazy-load Singleton）。

public final class LazySingleton  
    {  
        private static LazySingleton singObj = null;  
      
        private LazySingleton(){  
        }  
      
        public static LazySingleton getSingleInstance(){  
            if(null == singObj )    //A线程执行
    　　　　 　　singObj = new LazySingleton();   //B线程执行
            return singObj；
        }  
    }

上面的写法就保证了在对象使用之前是不会被初始化的。这种方式对于单线程来说是没什么问题，但是在多线程的环境下却是不安全的。假设A线程执行代码1的同时，B线程执行代码2。此时，线程A可能会看到instance引用的对象还没有完成初始化。如何避免这个问题，答案很简单，在那个方法前面加一个Synchronized就OK了。

public final class ThreadSafeSingleton  
    {  
        private static ThreadSafeSingleton singObj = null;  
      
        private ThreadSafeSingleton(){  
        }  
      
        public static Synchronized ThreadSafeSingleton getSingleInstance(){  
            if(null == singObj ) singObj = new ThreadSafeSingleton();
                return singObj；
        }  
    }

但是众所周知，同步对性能是有影响的。由于对getInstance()做了同步处理，synchronized将导致性能开销。如果getInstance()被多个线程频繁的调用，将会导致程序执行性能的下降。那么有没有什么方法，一方面是线程安全的，有可以有很高的并发度呢？我们的能想到的对策是降低同步的粒度，因此，人们想出了一个“聪明”的技巧：双重检查锁定（double-checked locking）。

public final class DoubleCheckedSingleton  
    {  
        private static DoubleCheckedSingletonsingObj = null;  
      
        private DoubleCheckedSingleton(){  
        }  
      
        public static DoubleCheckedSingleton getSingleInstance(){  
            if(null == singObj ) {                                //第一次检查
                  Synchronized(DoubleCheckedSingleton.class){     //加锁
                         if(null == singObj)                      //第二次检查
                               singObj = new DoubleCheckedSingleton();
                  }
             }
           return singObj；
        }  
    }

如果第一次检查instance不为null，那么就不需要执行下面的加锁和初始化操作。因此可以大幅降低synchronized带来的性能开销。这看起来似乎两全其美，但是这是一个错误的优化！原因在于singObj = new DoubleCheckedSingleton()这一句。  
  
以上有问题的这一行代码可以分解为如下的三行伪代码：

memory = allocate();   //1：分配对象的内存空间
    ctorInstance(memory);  //2：初始化对象
    instance = memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址

在一些编译器中会对代码进行优化而对语句进行重排序，这很常见，对于上面的三行伪代码，2和3可能会被重排，结果如下：

memory = allocate();   //1：分配对象的内存空间
    instance = memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址
                           //注意，此时对象还没有被初始化！
    ctorInstance(memory);  //2：初始化对象

所以在多线程的环境下线程A可能执行到3，这时候对象在内存中已经有地址了，但是还未被完全初始化，这时候一旦线程B执行，在第一次检查的时候（null == singObj）返回false，线程B以为对象已经存在，接下来就可以使用了。实际上线程B可能使用了一个没有被完全初始化的对象，运行结果不得而知。

对于这种问题解决方法有两种，“基于volatile的双重检查锁定的解决方案”和“基于类初始化的解决方案”，在[双重检查锁定与延迟初始][Link 1]化这篇文章中有详细介绍。我们来说下第二种解决方案。这种解决方案也就是Initialization On Demand Holder idiom，这种方法使用内部类来做到延迟加载对象，在初始化这个内部类的时候，JLS(Java Language Sepcification)会保证这个类的线程安全。这种写法最大的美在于，完全使用了Java虚拟机的机制进行同步保证，没有一个同步的关键字。

public class Singleton    
    {    
        private static class SingletonHolder    
        {    
            public final static Singleton instance = new Singleton();    
        }    
       
        public static Singleton getInstance()    
        {    
            return SingletonHolder.instance;    
        }    
    }

内部类的初始化是延迟的，外部类初始化时不会初始化内部类，只有在使用的时候才会初始化内部类。而Java语言规范规定，对于每一个类或接口C，都有一个唯一的初始化锁LC与之对应。也就是说，SingletonHolder在各个线程初始化的时候是同步执行的，且全权由JVM承包了。  
  
　　 [Initialization On Demand Holder idiom][]的实现探讨中分析了单例的几种描述符（private static final / public static final / static final）之间的合理性，其推荐使用最后一种描述符方式更为合理。

参考资料：  
  
http://www.infoq.com/cn/articles/double-checked-locking-with-delay-initialization  
http://ifeve.com/initialization-on-demand-holder-idiom/   
http://stackoverflow.com/questions/20995036/is-initialization-on-demand-holder-idiom-thread-safe-without-a-final-modifier  
http://stackoverflow.com/questions/21604243/correct-implementation-of-initialization-on-demand-holder-idiom  
http://blog.sina.com.cn/s/blog\_75247c770100yxpb.html

[Link 1]: http://www.infoq.com/cn/articles/double-checked-locking-with-delay-initialization
[Initialization On Demand Holder idiom]: http://ifeve.com/initialization-on-demand-holder-idiom/