博客園 - Allen Young - 當(dāng)Singleton遇到multi-threading

chenge 2006-04-14

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Singleton可能是所有設(shè)計(jì)模式中最簡單的設(shè)計(jì)模式啦,。它是如此的簡單,，以至于當(dāng)我們看著它的UML圖的時候會為終于沒有了惱人的連線而雀躍,，我們也不用去記憶并體會它有多么強(qiáng)大的功能,、多么高深的實(shí)現(xiàn)技巧,。使用它的理由只有一個――得到一個Class的唯一的Object,。它的實(shí)現(xiàn)是如此簡單,，以至于你會怪我把它的Code列在下面是在浪費(fèi)服務(wù)器空間。但是,，天下并沒有這么爽的事兒,，當(dāng)Singleton遇到multi-threading，一些不為人所知的陷阱悄悄的浮上了水面,，我們不得不小心應(yīng)對它們,。一下的示例以Java作為編程語言，討論了multi-threading下實(shí)現(xiàn) Singleton的策略,，并順便告訴你幾個關(guān)于Java實(shí)現(xiàn)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;
    }
}

這是典型的Singleton的實(shí)現(xiàn),，在single-threading下,，它沒有任何問題。但是,，你能告訴我在multi-threading下,，可能會發(fā)生什么事情么,？multi-threading是頑皮的小孩，它不保證各個線程執(zhí)行的順序,，所以,，會有一種可能，if (uniqueInstance == null)這個判斷會在不同的線程中連續(xù)執(zhí)行,。讓我們看看最簡單的,、只有兩個線程的情況：
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？產(chǎn)生了兩個不同的Object,！這不一定永遠(yuǎn)是壞事,，比如這是一個在線購物的控制系統(tǒng),，那么你可能會用一件衣服的錢買到兩件衣服,，雖然也有可能是你付了錢，但是沒得到衣服,，但是概率是50%對50%的,，也不是什么大不了的事兒～但是，如果這是一個鐵路調(diào)度控制系統(tǒng)呢,？火車也許會相撞,。如果這是一個核反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)呢？一個城市可能就變成廢墟了（當(dāng)然,，也許你希望這發(fā)生在日本）,。

OK！我們達(dá)成了一致,，這確實(shí)是個大問題,。我們怎么解決它？“我們可以用synchronized,！”有人興奮的叫到：“真是個好主意,！”好，我們來試試看～

public class Singleton {

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

好樣的,！現(xiàn)在同一時刻只有一個線程能調(diào)用getInstance()方法,，不會存在城市被炸平的悲劇了，我們拯救了幾百萬人（上海的話,，一千多萬人）,！我代表他們感謝你，但是,，過不了多久就有人會站出來抱怨：“為什么系統(tǒng)的速度變慢了,？”這些沒良心的人們，這么快就忘記了這段code拯救了他們的性命,，竟然抱怨起了這么小的問題,！憤憤之余,，你開始思考速度變慢的原因。

啊,，synchronized,，它使得原本并行的訪問變成了串行，這是性能的瓶頸,，有什么辦法可以解決嗎,？當(dāng)然，有人站了出來：“我有投機(jī)取巧的方法,?！?br>

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

問題解決了～JVM會在所有線程之前先實(shí)例化一個Object，所有的getInstance()調(diào)用都是在引用這個預(yù)先產(chǎn)生的Object,，不會有任何的問題啦～

但是,，完美主義的我們并不滿意：“無論是否使用這個Class，都會預(yù)先產(chǎn)生一個Object,，這很不優(yōu)雅,！”那我們就看看優(yōu)雅的解決方案?？紤]一下 multi-threading下出現(xiàn)錯誤的原因,，并不是因?yàn)椴煌木€程同時調(diào)用了getInstance()方法，而是if (uniqueInstance == null)出現(xiàn)了意想不到的排列,，也就是說,，只有在產(chǎn)生Object的時候，才會有multi-threading的問題,，當(dāng) uniqueInstance != null時,，多少個線程都不會有問題。因此,，我們得到了結(jié)論：只需要對創(chuàng)建Object的code上鎖就可以了,。

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;
    }
}

關(guān)鍵字volatile可以保證uniqueInstance可以被同時運(yùn)行的若干個線程正確的修改，而getInstance()方法體中的寫法則保證了細(xì)力度的線程鎖,。注意,，uniqueInstance == null被判斷了兩次，這是必要的,，這種方法叫做Double-checked locking,。

噹噹噹噹～任務(wù)完成，Singleton不在懼怕multi-threading啦,！讓我們來看看關(guān)于Java實(shí)現(xiàn)Singleton的tricky things,。

Double-checked locking最好只在Java 5中使用。在Java 1.4以及之前版本的諸多實(shí)現(xiàn)中,，volatile關(guān)鍵字都被錯誤的實(shí)現(xiàn),，這會導(dǎo)致Double-checked locking的不正確執(zhí)行,。

在Java 1.2以及之前的版本中，JVM的垃圾回收器存在一個bug：當(dāng)一個Singleton的Object不存在全局引用（即只有自身的instance變量在引用這Object）的時候,，垃圾回收器會回收這個Object,。也就是說，在這種情況下,，getIntance()會得到一個新的Object,，這不會導(dǎo)致城市被炸平，但是會導(dǎo)致做了10年的核反應(yīng)成果突然消失,，當(dāng)然不是我們想要的,。

Java允許不同的Class Loader創(chuàng)建自己的Object，它們用namespace來區(qū)別這些Object,。因此,，當(dāng)你的Singleton設(shè)計(jì)Class Loader時，最好在獲取Object的時候同時指定它的Class Loader,。

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來自： chenge > 《java》

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