Java 枚舉實現單例模式,線程安全又優雅!

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來源:https://liuchenyang0515.blog.csdn.net/article/details/121049426 1. 雙重校驗鎖單例(DCL) public class Singleton { private static volatile Singleton singleto ...


來源:https://liuchenyang0515.blog.csdn.net/article/details/121049426

1. 雙重校驗鎖單例(DCL)

public class Singleton {

    private static volatile Singleton singleton;

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

這種DCL寫法的優點:不僅線程安全,而且延遲載入。

1.1 為什麼要double check?去掉第二次check行不行?

當然不行,當2個線程同時執行getInstance方法時,都會執行第一個if判斷,由於鎖機制的存在,會有一個線程先進入同步語句,而另一個線程等待,當第一個線程執行了new Singleton()之後,就會退出synchronized的保護區域,這時如果沒有第二重if判斷,那麼第二個線程也會創建一個實例,這就破壞了單例。

1.2 singleton為什麼要加上volatile關鍵字?

主要原因就是 singleton = new Singleton();不是一個原子操作。

在JVM中,這句語句至少做了3件事

  1. 給Singleton的實例分配記憶體空間;
  2. 調用Singleton()的構造函數,初始化成員欄位;
  3. 將singleton指向分配的記憶體空間(此時singleton就不是null了)

因為存在著指令重排序的優化,第2、3步的順序是不能保證的,最後的執行順序可能是1-2-3,也可能是1-3-2,假如執行順序是1-3-2,我們看看會出現什麼問題

雖然singleton不是null,但是指向的空間並沒有初始化,還是會報錯,這就是DCL失效的問題,這種問題難以跟蹤難以重現可能會隱藏很久。

JDK1.5之前JMM(Java Memory Model,即Java記憶體模型)中的Cache、寄存器到主存的回寫規定,上面第二第三的順序無法保證。JDK1.5之後,SUN官方調整了JVM,具體化了volatile關鍵字,private static volatile Singleton singleton;只要加上volatile,就可以保證每次從主存中讀取(這涉及到CPU緩存一致性問題,不在本文探討範圍內,有興趣自行搜索),也可以防止指令重排序的發生,避免拿到未完成初始化的對象。

簡單講,volatile主要就是限制JIT編譯器優化,編譯器優化常用的方法有:

  • 將記憶體變數緩存到寄存器;

  • 調整指令順序充分利用CPU指令流水線,常見的是重新排序讀寫指令。

如果沒有volatile關鍵字,則編譯器可能優化讀取,使用寄存器中的緩存值,如果這個變數由別的線程更新了的話,將出現實際值和讀取的值不一致。使用了volatile後,編譯器讀取的時候跳過緩存,直接在記憶體中的實際位置讀變數,寫的時候通知其他緩存更新,這就是所謂的保證記憶體可見性,並且使用volatile還能禁止指令重排序。

public volatile int a = 11;
......
int c = 6;
c = a;// 執行這一句的時候,在高併發情況下,a如果被修改為22,那麼c會被賦值為22而不是11
//如果a不被volatile修飾,c有小概率被賦值為11,因為c取寄存器的緩存副本11還沒來得及更新

2. 靜態內部類單例

public class Singleton{
 private Singleton(){}
 
 private static class SingletonInstance {
     private static Singleton singleton = new Singleton();
 }
 
 public static Singleton getInstance(){
   return SingletonInstance.singleton;
 }
}

與餓漢式的區別就在於,類載入的時候,這裡並不會實例化對象,只有調用getInstance方法才會實例化對象。

和DCL優點一樣,延遲載入,效率高。

雖然DCL和靜態單例都不錯,但是它們並不能防止反序列化和反射生成多個實例。更好的寫法當然是枚舉單例了!

3. 枚舉單例 (推薦!!)

其他所有的實現單例的方式其實是有問題的,那就是可能被反序列化和反射破壞。

我們來看看JDK1.5中添加的枚舉類來實現單例

public enum Singleton {
 INSTANCE,

 public void testMethod() {
  
 }
}

枚舉的寫法的優點:

  • 不用考慮懶載入和線程安全的問題,代碼寫法簡潔優雅
  • 線程安全

反編譯任何一個枚舉類會發現,枚舉類里的各個枚舉項是是通過static代碼塊來定義和初始化的(可以見後面3.2節反編譯分析單例枚舉有分析到這個),它們會在類被載入時完成初始化,而java類的載入由JVM保證線程安全,所以,創建一個Enum類型的枚舉是線程安全的

  • 防止破壞單例

我們知道,序列化可以將一個單例的實例對象寫到磁碟,然後再反序列化讀回來,從而獲得一個新的實例。即使構造函數是私有的,反序列化時依然可以通過特殊的途徑去創建類的一個新的實例,相當於調用該類的構造函數。

Java對枚舉的序列化作了規定,在序列化時,僅將枚舉對象的name屬性輸出到結果中,在反序列化時,就是通過java.lang.Enum的valueOf來根據名字查找對象,而不是新建一個新的對象。枚舉在序列化和反序列化時,並不會調用構造方法,這就防止了反序列化導致的單例破壞的問題。

對於反射破壞單例的而言,枚舉類有同樣的防禦措施,反射在通過newInstance創建對象時,會檢查這個類是否是枚舉類,如果是,會拋出異常java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects,表示反射創建對象失敗。

綜上,枚舉可以防止反序列化和反射破壞單例。

3.1 枚舉單例模式的使用

// Singleton.java
public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void testMethod() {
        System.out.println("執行了單例類的方法");
    }
}

// Test.java
public class Test {
 public static void main(String[] args) {
        //演示如何使用枚舉寫法的單例類
        Singleton.INSTANCE.testMethod();
        System.out.println(Singleton.INSTANCE);
    }
}

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https://github.com/javastacks/spring-boot-best-practice

運行結果如下:

3.2 反編譯分析單例枚舉類

為了讓大家進一步瞭解枚舉類,我們將上面枚舉單例類進行反編譯javap -p Singleton.class,其中-p的意思是反編譯的時候要包含私有方法。

// 這是反編譯後的內容
public final class Singleton extends java.lang.Enum<Singleton> {
  public static final Singleton INSTANCE;
  private static final Singleton[] $VALUES;
  public static Singleton[] values();
  public static Singleton valueOf(java.lang.String);
  private Singleton();
  public void testMethod();
  static {};
}

我們可以看到,

  • INSTANCE是Singleton類的實例
  • Singleton繼承了java.lang.Enum
  • 這裡還有一個私有的Singleton的無參構造方法,枚舉類的枚舉項都會使用這個構造方法來實例化,也就是說,這裡的INSTANCE會使用這個構造方法來實例化。
  • 實例化的過程發生在最後空的static代碼塊中,可以通過javap的其他參數進一步分析static裡面的位元組碼內容,static裡面其實包含了很多位元組碼指令,這些指令在做枚舉項INSTANCE的初始化工作,而static代碼塊是在類載入的時候執行的,也就是說Singleton類被載入的時候,INSTANCE就被初始化了。static代碼塊裡面除了初始化INSTANCE,Singleton[] $VALUES這個定義的私有的數組也是在static裡面創建和初始化的。然後把所有枚舉項按照定義的順序放入這個$VALUES數組中,最後我們可以通過values方法來訪問這個數組

為了分析每個方法中的操作,我們使用javap -p -c -v Singleton.class來看看更詳細的,-c來看每個方法中的位元組碼,-v把常量池信息也列印出來,這裡瞭解即可,看不懂就看我上面的結論吧,重點只需要看static代碼塊部分的位元組碼,下麵是為結論做一個驗證。

/**
 * @author: 磚業洋__
 * @description: 我重點只分析最後的static部分
 */
public final class Singleton extends java.lang.Enum<Singleton>
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER, ACC_ENUM
Constant pool:     // 需要註意常量池的部分,後面分析每條指令的時候可以回到這裡查閱
   #1 = Fieldref           #4.#37         // Singleton.$VALUES:[LSingleton;
   #2 = Methodref          #38.#39        // "[LSingleton;".clone:()Ljava/lang/Object;
   #3 = Class              #17            // "[LSingleton;"
   #4 = Class              #40            // Singleton
   #5 = Methodref          #13.#41        // java/lang/Enum.valueOf:(Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
   #6 = Methodref          #13.#42        // java/lang/Enum."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
   #7 = Fieldref           #43.#44        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #8 = String             #45            // 執行了單例類的方法
   #9 = Methodref          #46.#47        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #10 = String             #14            // INSTANCE
  #11 = Methodref          #4.#42         // Singleton."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
  #12 = Fieldref           #4.#48         // Singleton.INSTANCE:LSingleton;
  #13 = Class              #49            // java/lang/Enum
  #14 = Utf8               INSTANCE
  #15 = Utf8               LSingleton;
  #16 = Utf8               $VALUES
  #17 = Utf8               [LSingleton;
  #18 = Utf8               values
  #19 = Utf8               ()[LSingleton;
  #20 = Utf8               Code
  #21 = Utf8               LineNumberTable
  #22 = Utf8               valueOf
  #23 = Utf8               (Ljava/lang/String;)LSingleton;
  #24 = Utf8               LocalVariableTable
  #25 = Utf8               name
  #26 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #27 = Utf8               <init>
  #28 = Utf8               (Ljava/lang/String;I)V
  #29 = Utf8               this
  #30 = Utf8               Signature
  #31 = Utf8               ()V
  #32 = Utf8               testMethod
  #33 = Utf8               <clinit>
  #34 = Utf8               Ljava/lang/Enum<LSingleton;>;
  #35 = Utf8               SourceFile
  #36 = Utf8               Singleton.java
  #37 = NameAndType        #16:#17        // $VALUES:[LSingleton;
  #38 = Class              #17            // "[LSingleton;"
  #39 = NameAndType        #50:#51        // clone:()Ljava/lang/Object;
  #40 = Utf8               Singleton
  #41 = NameAndType        #22:#52        // valueOf:(Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
  #42 = NameAndType        #27:#28        // "<init>":(Ljava/lang/String;I)V
  #43 = Class              #53            // java/lang/System
  #44 = NameAndType        #54:#55        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #45 = Utf8               執行了單例類的方法
  #46 = Class              #56            // java/io/PrintStream
  #47 = NameAndType        #57:#58        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #48 = NameAndType        #14:#15        // INSTANCE:LSingleton;
  #49 = Utf8               java/lang/Enum
  #50 = Utf8               clone
  #51 = Utf8               ()Ljava/lang/Object;
  #52 = Utf8               (Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
  #53 = Utf8               java/lang/System
  #54 = Utf8               out
  #55 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #56 = Utf8               java/io/PrintStream
  #57 = Utf8               println
  #58 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public static final Singleton INSTANCE; // 定義枚舉項
    descriptor: LSingleton;
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL, ACC_ENUM

  private static final Singleton[] $VALUES; // 定義對象數組,並沒有初始化,只是空引用
    descriptor: [LSingleton;
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_FINAL, ACC_SYNTHETIC

  public static Singleton[] values();
    descriptor: ()[LSingleton;
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: getstatic     #1                  // Field $VALUES:[LSingleton;
         3: invokevirtual #2                  // Method "[LSingleton;".clone:()Ljava/lang/Object;
         6: checkcast     #3                  // class "[LSingleton;"
         9: areturn
      LineNumberTable:
        line 1: 0

  public static Singleton valueOf(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)LSingleton;
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: ldc           #4                  // class Singleton
         2: aload_0
         3: invokestatic  #5                  // Method java/lang/Enum.valueOf:(Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
         6: checkcast     #4                  // class Singleton
         9: areturn
      LineNumberTable:
        line 1: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      10     0  name   Ljava/lang/String;

  private Singleton();
    descriptor: (Ljava/lang/String;I)V
    flags: ACC_PRIVATE
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=3
         0: aload_0       // 棧操作指令,把局部方法表裡的第0個位置的變數load載入到棧上來,a首碼表示它是一個引用類型。
       // 提醒: 當JVM執行一段代碼的時候,首先會把用到的所有的變數存在一個本地變數表裡————局部變數表。
       // 在棧上做計算的時候,需要使用局部方法表的值,就會通過load指令把它們載入到棧上來
       // 在棧上運算完之後,需要把值存回到局部方法表,所以也會有對應的store指令,load和store是對應的。
         1: aload_1
         2: iload_2
         3: invokespecial #6                  // Method java/lang/Enum."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
         6: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       7     0  this   LSingleton;
    Signature: #31                          // ()V

  public void testMethod();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #8                  // String 執行了單例類的方法
         5: invokevirtual #9                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  this   LSingleton;

  static {};
    descriptor: ()V.        // 就是代表返回void類型
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=4, locals=0, args_size=0
         0: new           #4                  // class Singleton
         // new #4表示從常量池裡拿到標號4這個類型的名字,往上看Constant pool部分的定義可知就是Singleton這個類,然後new出來變成對象
         3: dup          // 然後dup壓棧
         4: ldc           #10                 // String INSTANCE,將常量池中標號10的String類型的值INSTANCE推送到棧頂
         6: iconst_0        // 定義一個int類型的變數值為0,我也不知道這裡定義個常量有什麼卵用
         7: invokespecial #11                 // Method "<init>":(Ljava/lang/String;I)V,調用構造器初始化,返回類型為void
        10: putstatic     #12                 // Field INSTANCE:LSingleton;給INSTANCE這個靜態變數賦值,和name一樣
        13: iconst_1        // 定義一個int類型的變數值為1,然並卵
        14: anewarray     #4                  // class Singleton,實例化一個裝Singleton枚舉類型的數組,這裡就是$VALUES數組
        17: dup
        18: iconst_0
        19: getstatic     #12                 // Field INSTANCE:LSingleton;取出欄位INSTANCE的name值
        22: aastore         
        23: putstatic     #1                  // Field $VALUES:[LSingleton;將局部變數表中的枚舉項的name值都依次放入$VALUES數組中
        26: return
      LineNumberTable:
        line 2: 0
        line 1: 13
}

實編譯完的位元組碼是給JVM看的,JVM只需要無腦順序往下執行即可。多的方面就涉及JVM很多內容了,和本文主題無關,這裡大家主要看static代碼塊中有哪些指令,明白枚舉為什麼會線程安全即可。

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