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双重检测 就比 饿汉式 高级?那 Kotlin 的 object 为什么用饿汉式?

单例模式我相信大家应该不会陌生,随手抓一个程序员,让他说说最常用的 3 种设计模式,其中一定包含单例模式。

作者: 承香墨影|2020-07-21 08:37

一、序

大家好,这里是承香墨影。

单例模式我相信大家应该不会陌生,随手抓一个程序员,让他说说最常用的 3 种设计模式,其中一定包含单例模式。

单例最重要的是,关注唯一性以及线程安全问题。而在 Java 中,单例存在多种实现范式,例如:饿汉式、懒汉式、静态内部类、双重检测等等,甚至还可以利用枚举的特性实现单例,可谓是把单例玩出了花样。

这其中,饿汉式单例实现代码是最简单的,关键代码只需一行 static final 申明对象即可,代码简单且满足需求。

但是饿汉式经常会被我们"嫌弃",日常 Review Code 时,甚至看到饿汉式单例也会「友善的建议」对方使用双重检测。

饿汉式依赖 JVM 加载类的时机,来完成静态对象的初始化,这个过程本身就是线程安全的。而它最被人诟病的,其实是无法延迟加载,完全依赖 JVM 加载类的时机,这就导致单例类加载时机不可控。也就有可能,有些资源,业务还未使用,单例类就已经准备好了,导致过多的占用了系统资源。

我们再回过头来看看 Kotlin。在 Kotlin 中,实现单例非常简单,只需要将关键字 class 替换为 object 即可。

  1. object SomeSingleton{ 
  2.   fun sayHi(){} 

但 Kotlin 的 object 其实就是饿汉式单例。它难道不怕存在资源占用的问题吗?

二、Kotliin 的 object

2.1 Kotlin 的 object 原理

在开始 Kotlin 的 object 选择饿汉式单例前,我们先来看看 Kotlin object 原理。

Kotlin 和 Java 可以互相调用,Kotlin 代码运行前也会被编译器编译成 Java 字节码。那我们就可以通过工具将其还原为 Java 代码进行分析。

这个转换工具, AS 原生支持。借助 AS 的 Tools → Kotlin → Show Kotlin Bytecode,就可以查看 Kotlin 编译后的 Java 字节码,再点击 Decompile 按钮,就可以将字节码转成 Java 代码。

可以看到,INSTANCE 使用 static final 声明,并且在 static 代码块内对其进行初始化,标准的饿汉式单例。

2.2 饿汉式如何保证唯一和线程安全?

前面提到,单例最重要的就是关注其唯一性和线程问题。

需要在任何情况下,都确保一个类只存在一个实例,不会因为多线程的访问,导致创建多个实例。同时也不会因为多线程而引入新的效率问题。

饿汉式单例的原理,其实是基于 JVM 的类加载机制来保证其符合单例的规范的。

简单来说,JVM 在加载类的时候,会经过初始化阶段(即 Class 被加载后,且被线程使用前)。在初始化期间,JVM 会获取一把锁,这个锁可以同步多个线程,对一个类的初始化,确保只有一个线程完成类的加载过程。这个步骤是线程安全的。

上图很清晰的描述了类的初始化锁工作流程,这里就不展开细说。

三、所谓的饿汉式问题

前文提到,饿汉式单例最被人诟病的问题,在于无法实现懒加载,完全依赖虚拟机加载类的策略加载。

3.1 懒加载

懒加载的目的,说白了就是为了避免,无必要的资源浪费,在不需要的时候不加载,等什么时候业务真的需要使用到它的时候,再加载资源。

虽然饿汉式依赖虚拟机加载类的策略,但虚拟机本身也会有优化项,那就是「按需加载」的策略。

虚拟机在运行程序时,并不时在启动时,就将所有的类都加载并初始化完成,而是采用「按需加载」的策略,在真正使用时,才会进行初始化。

例如 显式的 new Class()、调用类的静态方法、反射、Class.forName() 等,这些事件首次发生时,都会触发虚拟机加载类。

例如前文中,SomeSingleton 这个单例类,我们放到一个 App 中运行一下,App 先启动,点击按钮执行 SomeSingleton.sayHi() 方法。

  1. 15:39:34.539 I/cxmyDev: App running 
  2. 15:39:44.606 I/cxmyDev: SomeSingleton init 
  3. 15:39:44.606 I/cxmyDev: SomeSingleton sayHi 

注意 Log 的时间,只有点击按钮执行 SomeSingleton.sayHi() 时,该单例类才被虚拟机加载。

也就是说,通常只有在你真实使用这个类时,它才会真的被虚拟机初始化,我们并不需要担心会被提前加载而导致资源浪费。

当然,不同虚拟机的实现方式不同,这并不是强制的,但是大多数为了性能都会准守此规则。

3.2 软件设计的角度

既然饿汉式的单例,也是在首次使用时初始化,这自然就是一种类懒加载的效果。

那我们再换个角度思考,如果饿汉式单例就是在程序启动时,就初始化好了,有问题吗?

在 Java 中,其实构造一个普通对象的成本很低。那为什么到了单例模式下,就觉得是个问题呢?

主要是单例的生命周期较长,承载了业务和状态,我们不提前构造无非是 2 个问题。

  1. 单例对象本身,初始化比较复杂或耗时,提前初始化会影响其他业务;
  2. 单例初始化后,持有的资源太多,导致内存资源的浪费;

问题一:初始化逻辑复杂

如果单例在初始化阶段,存在大量的逻辑,那么也不应该等到需要使用时才初始化它,否者必然会影响到接下来的业务性能。而是应该在此之前,系统较为空闲时初始化。

例如 Android 下就可以借助 IdleHandler 在空闲时提前做一些初始化工作。

问题二:持有资源太多

系统的各项资源,从来就没有够的时候。

任何时候缓存和性能都是要平衡的,单例作为一个生命周期较长的类,更不应该长时间持有大量的资源。否者就算加载时不报错,也必然会埋下 OOM 隐患,是之后内存优化时,重点关注的对象。

在编写代码时,就思考对内存资源的合理利用,而不是等到内存问题严重时,再集中进行内存优化。合理使用弱引用优化持有资源,也是一种不错的优化手段。

另外如果初始化时,就是必须会占用一些资源,那么基于 Fail-fast 原则,有问题也应该尽早的暴露出来。

毕竟 App 崩溃在开发手里,这叫问题,而崩溃在用户手里,这就叫事故。

四、小结

时刻今天我们聊了 Java 的单例,以及 Kotlin object 单例的实现原理,最后我们再小结一下。

Kotlin object 使用「饿汉式」单例,依赖 JVM 的类加载机制确保唯一和线程安全;

JVM 加载类采用「按需加载」策略,确保懒加载;

Kotlin 的 object 选择饿汉式单例,在性能和实现上都不存在问题,使用它无需顾虑。

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