10 Java 多线程编程环境中单例模式的实现

在开发中，如果某个实例的创建需要消耗很多系统资源，那么我们通常会使用惰性加载机制，也就是说只有当使用到这个实例的时候才会创建这个实例，这个好处在单例模式中得到了广泛应用。这个机制在single-threaded环境下的实现非常简单，然而在multi-threaded 环境下却存在隐患。本文重点介绍惰性加载机制以及其在多线程环境下的使用方法。（作者numberzero，参考IBM 文章《Double-checked locking and the Singleton pattern》，欢迎转载与讨论）
1 单例模式的延迟加载

通常当我们设计一个单例类的时候，会在类的内部构造这个类，并对外提供一个static getInstance 方法提供获取该单例对象的途径。例如：

Singleton.java

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

这样的代码缺点是：第一次加载类的时候会连带着创建Singleton 实例，这样的结果与我们所期望的不同，因为创建实例的时候可能并不是我们需要这个实例的时候。同时如果这个Singleton 实例的创建非常消耗系统资源，而应用始终都没有使用Singleton 实例，那么创建Singleton 消耗的系统资源就被白白浪费了。为了避免这种情况，我们通常使用延迟加载的机制，也就是在使用的时候才去创建。以上代码的延迟加载
代码如下：
Singleton.java

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

这样，当我们第一次调用Singleton.getInstance()的时候，这个单例才被创建，而以后再次调用的时候仅仅返回这个单例就可以了。

2 延迟加载在多线程中的问题
先将延迟加载的代码提取出来：

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

这是如果两个线程A 和B 同时执行了该方法，然后以如下方式执行：
1. A 进入if 判断，此时instance为null，因此进入if 内
2. B 进入if 判断，此时A 还没有创建instance，因此instance也为null，因此B 也进入if 内
3. A 创建了一个instance并返回
4. B 也创建了一个instance并返回

此时问题出现了，我们的单例被创建了两次，而这并不是我们所期望的。

3 各种解决方案及其存在的问题
3.1 使用Class 锁机制
以上问题最直观的解决办法就是给getInstance 方法加上一个synchronize 前缀，这样每次只允许一个线程调用
getInstance 方法：

public static synchronized Singleton getInstance() {if (instance == null)instance = new Singleton();return instance;}

这种解决办法的确可以防止错误的出现，但是它却很影响性能：每次调用getInstance 方法的时候都必须获得Singleton 的锁，而实际上，当单例实例被创建以后，其后的请求没有必要再使用互斥机制了3.2 double-checked locking
曾经有人为了解决以上问题，提出了double-checked locking 的解决方案
Java 代码

public static Singleton getInstance() {if (null== instance)synchronized (instance) {if (null== instance)instance = new Singleton();}return instance;}

让我们来看一下这个代码是如何工作的：首先当一个线程发出请求后，会先检查instance 是否为null，如果不是则直接返回其内容，这样避免了进入synchronized 块所需要花费的资源。其次，即使第2节提到的情况发生了，两个线程同时进入了第一个if 判断，那么他们也必须按照顺序执行synchronized 块中的代码，第一个进入代码块的线程会创建一个新的Singleton 实例，而后续的线程则因为无法通过if 判断，而不会创建多余的实例。

上述描述似乎已经解决了我们面临的所有问题，但实际上，从JVM 的角度讲，这些代码仍然可能发生错误。对于JVM 而言，它执行的是一个个Java 指令。在Java 指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM 并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM 会为新Singleton 实例分配空间，然后直接赋值给instance 成员，然后再去初始化这个Singleton 实例。这样就使出错成为了可能，我们仍然以A、B 两个线程为例：
1. A、B 线程同时进入了第一个if 判断
2. A 首先进入synchronized 块，由于instance 为null，所以它执行instance = new Singleton();
3. 由于JVM 内部的优化机制，JVM 先画出了一些分配给Singleton 实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM 没有开始初始化这个实例），然后A 离开了synchronized 块。
4. B 进入synchronized 块，由于instance 此时不是null，因此它马上离开了synchronized 块并将结果返回给调用该方法的程序。
5. 此时B 线程打算使用Singleton 实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。
4 通过内部类实现多线程环境中的单例模式
为了实现延迟加载，并且不希望每次调用getInstance 时都必须互斥执行，最好并且最方便的解决办法如下：
Java 代码

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

JVM 内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance 的时候，JVM 能够帮我们保证instance 只被创建一次，并且会保证把赋值给instance 的内存初始化完毕，这样我们就不用担心3.2中的问题。此外该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了3.1中的低效问题。最后instance 是在第一次加载SingletonContainer 类时被创建的，而SingletonContainer 类则在调用getInstance 方法的时候才会被加载，因此也实现了延迟加载