详解单例模式

最近由于课程作业的缘故，使用Scala语言的次数较多。在Scala中，类型还是挺丰富的，其中有一种类型称为Obejct，可以说对应着Java中的单例模式，今天正好来详细说一下自己一直没有搞清楚的这个东西，同时也是面试中经常出现的一个知识点。

单例模式是一种比较特殊的设计模式（Design Pattern），在Java中，它表示一个Class只有一个实例化的Object。单例模式分为两种，一种叫饿汉模式（Object的new操作发生在Class创建时）；一种叫懒汉模式（Object的new操作发生在getInstance时）。这两种的区别就在于单例模式实例化Object的早晚。

其中，饿汉模式是一种标准的写法，这也是《Effective Java》一书中推荐的，其具体代码如下：

class Singleton {
  // 这里的static member是public的，外部可以直接访问
  public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
  
  private Singleton() {
    // initialize object
    ....
  }
  
  // other methods for Singleton instance
  public void method1() {
    ....
  }
}

这第一种写法是最基础的，在之后的代码中如果想使用单例，就直接调用Singleton.INSTANCE即可；另外还有一种写法，使用Static Factory Method，使得代码更加灵活。

class Singleton {
  private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
  
  private Singleton() {
    // constructor, initialize object
    ....
  }
  
  public static Singleton getInstance() {
    return INSTANCE
  }
  
  // other methods for Singleton instance
  ....
}

不管是是哪一种写法，都是属于饿汉模式，即在Singleton Class创建的时候就完成Object的new操作。这其中有两点最为关键：

第一点是声明构造函数（Constructor）为private，防止在其他Class的代码中new出新的Singleton Object；

第二点是提供一个public static的member/function或直接，或间接地让外部用户获得这个单例。

另外一种设计思路就是懒汉模式，它通常与多线程问题一起考察（含锁的双检查），主要是为了面试能够多引出一些知识点来，我个人认为实际的代码中一般不会用到这种，不过我们还是可以梳理一下面试思考问题的思路。

首先是最基础的版本：

class Singleton {
  private static Singleton instance;
  
  private Singleton() {
    // constructor, initialize object
    ....
	}
  
  public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      instance = new Singleton();
    }
    return instance;
  }
  
  // other methods for Singleton instance
  ....
}

它的问题在于多线程，当Thread1，Thread2同时检查到if (instance == null)时，此时都进入if语句块，假设此时Thread1先获得了CPU的控制权，那么它创建（new）了一个Singleton对象，然后返回；紧接着Thread2获得CPU，也会创建一个Singleton对象，那么相当于此时内存堆中拥有两个不同的Singleton Object，违反了单例模式。

解决的方案有两种，第一种是最简单的，直接对getInstance函数加锁（synchronized），不过这样是一种简单粗暴的互斥访问，会造成并发量的下降（关于synchronized底层实现的本质和具体的性能表现我尚未有特别详细的研究）

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

第二种方法就稍微复杂些，那就是含锁的双检查：

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

这里为什么是if (instance == null)检查两次呢？第一次的检查非常好理解（看看是不是已经创建了instance，有的话就直接返回，节省进入synchronized的开销），第二次的检查是为了避免创建两个不同的单例对象，违反单例模式的原则。具体来说是这样的：

如果Thread1，Thread2同时处于synchronized(Singleton.class)这一临界区间（Critical Section）等待获取锁。此时，如果Thread1先进入，那么Thread2就会因获得不到锁而进入BLOCKED状态，再也无法和RUNNABLE状态的Thread1竞争CPU的时间片，它只能被动等待synchronized锁的释放并获得锁，然后再进入RUNNABLE状态。

Thread1	Thread2
获取synchronized锁
再次判断instance为空
创建并完成instance的初始化
释放synchronized锁
返回已初始化的instance
	获取synchronized锁
	判断instance不为空
	（如果没有第二次检查，那么就会再创建一个Singleton对象）
	返回已初始化的instance

含锁的双检查模式已经是足够好了，但是还不是最好的。这是因为实例化对象的代码instance = new Singleton();实际上包含了3个操作：

分配对象的内存空间
初始化对象
将instance引用指向刚分配的内存空间

在Java中编译器存在指令的重排序，所以以上的3个操作不一定会依次按步骤进行，第2步和第3步有可能会进行重排序，此时这一行代码的执行操作是：

分配对象的内存空间
将instance引用指向刚分配的内存空间
初始化对象

此时对于Thread1，Thread2来说，就存在以下的一种多线程执行顺序：

Thread1	Thread2
首次判断instance为空
获取synchronized锁
再次判断instance为空
分配instance的内存空间
将instance引用指向刚分配的内存空间
	判断instance不为空（第一次判断）
	返回未初始化的instance
初始化instance
释放syncrhonized锁
返回已初始化的instance

注意，这里尽管Thread1运行在synchronized代码块中，但是依然存在CPU时间片的线程切换，这是因为在Java线程模型中，将OS中的Ready（就绪），Running（运行）都认为是RUNNABLE的状态。也就是说，所有处于RUNNABLE状态的线程，都有争夺CPU时间片的资格。Thread2并没有因为执行到synchronized代码块前没有获得锁而进入BLOCKED状态，所以就可以和Thread1争夺CPU控制权。

因此，我们说synchronized关键字能保证在它划定的临界区间（Critical Section）中最多只有一个线程能够运行；但是它不能保证当线程在临界区间上运行时，不会被其他RUNNABLE状态的线程切换。

此时，Thread2就会提前返回一个（内存堆中）没有完成初始化的Singleton instance对象，虽然说没有在内存堆中生成两个以上的对象，违反单例原则，但是没有完成初始化的对象会造成后续操作的不可预见性。

正确的避免指令重排序的方法就是对instance使用volatile关键字，所以最后的正确版本是：

class Singleton {
  private static volatile Singleton instance;
  
  private Singleton() {
    // constructor, initialize object
    ....
	}
  
  public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null) {
          instance = new Singleton();
        }
      }
    }
    return instance;
	}
  
  // other methods for Singleton instance
  ....
}