posts - 167,  comments - 30,  trackbacks - 0

Abstract

         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。例如:

Java代码 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20class%20Singleton%20%20%20%20%20%20%0A%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20static%20Singleton%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20Singleton()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%E2%80%A6%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20public%20static%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20return%20instance%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%20%20%0A" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   class  Singleton        
{        
    private   static  Singleton instance =  new  Singleton();        
    private  Singleton(){        
        …        
    }        
    public   static  Singleton getInstance(){        
             return  instance;         
    }        
}       
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。以上代码的惰性加载代码如下:

Java代码 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20class%20Singleton%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20static%20Singleton%20instance%20%3D%20null%3B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20Singleton()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%E2%80%A6%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20public%20static%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20(instance%20%3D%3D%20null)%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20return%20instance%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%20%20%0A" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   class  Singleton{        
    private   static  Singleton instance =  null ;        
    private  Singleton(){        
        …        
    }        
    public   static  Singleton getInstance(){        
        if  (instance ==  null )        
            instance = new  Singleton();         
                return  instance;         
    }        
}       
public class Singleton{     
    private static Singleton instance = null;     
    private Singleton(){     
        …     
    }     
    public static Singleton getInstance(){     
        if (instance == null)     
            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       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:                            

Java代码 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20static%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20if%20(instance%20%3D%3D%20null)%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20return%20instance%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%20" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   static  Singleton getInstance(){        
    if  (instance ==  null )        
    instance = new  Singleton();         
    return  instance;         
}      
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:

1.         A进入if判断,此时foo为null,因此进入if内

2.         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

3.         A创建了一个Foo并返回

4.         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:

Java代码 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20static%20synchronized%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20if%20(instance%20%3D%3D%20null)%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20return%20instance%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%20%20%0A" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   static   synchronized  Singleton getInstance(){        
    if  (instance ==  null )        
    instance = new  Singleton();         
    return  instance;         
}       
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 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20static%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20if%20(instance%20%3D%3D%20null)%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20synchronized(instance)%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if(instance%20%3D%3D%20null)%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20return%20instance%3B%20%20%20%20%20%20%20%0A%7D" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   static  Singleton getInstance(){        
    if  (instance ==  null )        
        synchronized (instance){        
            if (instance ==  null )        
                instance = new  Singleton();        
        }        
    return  instance;         
}  
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:

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:

Java代码 < type="application/x-shockwave-flash" width="14" height="15" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" src="http://xupo.javaeye.com/javascripts/syntaxhighlighter/clipboard_new.swf" flashvars="clipboard=public%20class%20Singleton%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20Singleton()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%E2%80%A6%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20private%20static%20class%20SingletonContainer%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20private%20static%20Singleton%20instance%20%3D%20new%20Singleton()%3B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20public%20static%20Singleton%20getInstance()%7B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20SingletonContainer.instance%3B%20%20%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%7D%20%20%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%20%20%0A" quality="high" allowscriptaccess="always" type="application/x-shockwave-flash" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" height="15" width="14">
public   class  Singleton{        
    private  Singleton(){        
        …        
    }        
    private   static   class  SingletonContainer{        
        private   static  Singleton instance =  new  Singleton();        
    }        
    public   static  Singleton getInstance(){        
        return  SingletonContainer.instance;        
    }        
}       
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。

 

本文来自CSDN博客,转载请标明出处:http://blog.csdn.net/fancyerII/archive/2010/03/15/5382349.aspx

posted on 2010-05-14 14:17 David1228 阅读(354) 评论(0)  编辑  收藏 所属分类: 线程-模式-设计

只有注册用户登录后才能发表评论。


网站导航:
 

<2010年5月>
2526272829301
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
303112345

常用链接

留言簿(3)

随笔分类

随笔档案

文章档案

新闻分类

新闻档案

相册

收藏夹

Java

Linux知识相关

Spring相关

云计算/Linux/虚拟化技术/

友情博客

多线程并发编程

开源技术

持久层技术相关

搜索

  •  

积分与排名

  • 积分 - 308245
  • 排名 - 161

最新评论

阅读排行榜

评论排行榜