Java 单例模式：懒加载（延迟加载）和即时加载

2022-11-16 22:08:14

引言

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（或懒加载、延时加载），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。这个机制在单线程环境下的实现非常简单，然而在多线程环境下却存在隐患。

1、单例模式的惰性加载

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（通过构造函数，或者在定义处直接创建），并对外提供一个static getInstance() 方法提供获取该单例对象的途径。

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，我们通常使用惰性加载的机制，也就是在使用的时候才去创建。

public class Singleton{

    private static Singleton instance = null;

    private Singleton(){

        …

    }

    public static Singleton getInstance(){

        if (instance == null)

            instance = new Singleton();

                return instance;

    }

}

2、惰性加载在多线程中的问题

先将惰性加载的代码提取出来：

public static Singleton getInstance(){

    if (instance == null)

    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：

A 进入 if 判断，此时 foo 为 null，因此进入 if 内
B 进入 if 判断，此时 A 还没有创建 foo，因此 foo 也为 null，因此 B 也进入 if 内
A 创建了一个 Foo 并返回
B 也创建了一个 Foo 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现成调用 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

public static Singleton getInstance(){

    if (instance == null)

        synchronized(instance){

            if(instance == null)

                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 会为新的 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：

A、B线程同时进入了第一个if判断
A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();
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。
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。
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

为了实现慢加载，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：

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，因此也实现了惰性加载。

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