单例模式是最简单的设计模式,实现也非常“简单”。一直以为我写没有问题,直到被 Coverity 打脸。
前段时间,有段代码被 Coverity 警告了,简化一下代码如下,为了方便后面分析,我在这里标上了一些序号:
private static SettingsDbHelper sInst = null; public static SettingsDbHelper getInstance(Context context) { if (sInst == null) { // 1 synchronized (SettingsDbHelper.class) { // 2 SettingsDbHelper inst = sInst; // 3 if (inst == null) { // 4 inst = new SettingsDbHelper(context); // 5 sInst = inst; // 6 } } } return sInst; // 7 }
大家知道,这可是高大上的 Double Checked locking 模式,保证多线程安全,而且高性能的单例实现,比下面的单例实现,“逼格”不知道高到哪里去了:
private static SettingsDbHelper sInst = null; public static synchronized SettingsDbHelper getInstance(Context context) { if (sInst == null) { sInst = new SettingsDbHelper(context); } return sInst; }
你一个机器人竟敢警告我代码写的不对,我一度怀疑它不认识这种写法(后面将证明我是多么幼稚,啪。。。)。然后,它认真的给我分析这段代码为什么有问题,如下图所示:
Coverity 是静态代码分析工具,它会模拟其实际运行情况。例如这里,假设有两个线程进入到这段代码,其中红色的部分是运行的步骤解析,开头的标号表示其运行顺序。关于 Coverity 的详细文档可以参考 这里 ,这里简单解析一下其运行情况如下:
true
的; SettingsDbHelper.class
; inst = sInst
,这时 sInst 还是 null,所以继续往下运行,创建一个新的实例; new SettingsDbHelper(context)
这个构造函数并没有执行完。而在这个时候,程序切换到线程 2; sInst == null
的判断为 false
,线程 2 就直接返回 sInst 了,但是这个时候 sInst 并没有被初始化完成,直接使用它可能会导致程序崩溃。 上面解析得好像很清楚,但是关键在第 4 步,为什么会出现 Re-Order?赋值了,但没有初始化又是怎么回事?这是由于 Java 的内存模型决定的。问题主要出现在这 5 和 6 两行,这里的构造函数可能会被编译成内联的(inline),在 Java 虚拟机中运行的时候编译成执行指令以后,可以用如下的伪代码来表示:
inst = allocat(); // 分配内存 sInst = inst; constructor(inst); // 真正执行构造函数
说到内存模型,这里就不小心触及了 Java 中比较复杂的内容——多线程编程。在这里,我们可以简单的理解就是,构造函数可能会被分为两块:先分配内存并赋值,再初始化。关于 Java 内存模型(JMM)的详解,可以参考这个系列文章 《深入理解Java内存模型》 ,一共有 7 篇( 一 , 二 , 三 , 四 , 五 , 六 , 七 )。
上面的问题的解决方法是,在 Java 5 之后,引入扩展关键字 volatile
的功能,它能保证:
对 volatile
变量的写操作,不允许和它之前的读写操作打乱顺序;对 volatile
变量的读操作,不允许和它之后的读写乱序。
关于 volatile 关键字原理详解请参考上面的 深入理解内存模型(四) 。
所以,上面的操作,只需要对 sInst 变量添加 volatile
关键字修饰即可。但是,我们知道,对 volatile 变量的读写操作是一个比较重的操作,所以上面的代码还可以优化一下,如下:
private static volatile SettingsDbHelper sInst = null; // <<< 这里添加了 volatile public static SettingsDbHelper getInstance(Context context) { SettingsDbHelper inst = sInst; // <<< 在这里创建临时变量 if (sInst == null) { synchronized (SettingsDbHelper.class) { inst = sInst; if (inst == null) { inst = new SettingsDbHelper(context); sInst = inst; } } } return inst; // <<< 注意这里返回的是临时变量 }
通过这样修改以后,在运行过程中,除了第一次以外,其他的调用只要访问 volatile 变量 sInst 一次,这样能提高 25% 的性能( Wikipedia )。
最后,关于单例模式,还有一个更有趣的实现,它能够延迟初始化(lazy initialization),并且多线程安全,还能保证高性能,如下:
class Foo { private static class HelperHolder { public static final Helper helper = new Helper(); } public static Helper getHelper() { return HelperHolder.helper; } }
延迟初始化,这里是利用了 Java 的语言特性,内部类只有在使用的时候,才回去加载,从而初始化内部静态变量。关于线程安全,这是 Java 运行环境自动给你保证的,在加载的时候,会自动隐形的同步。在访问对象的时候,不需要同步 Java 虚拟机又会自动给你取消同步,所以效率非常高。
另外,关于 final 关键字的原理,请参考 深入理解Java内存模型(六) 。
在 Java 中,涉及到多线程编程,问题就会复杂很多,有些 Bug 甚至会超出你的想象。通过上面的介绍,开始对自己的代码运行情况都不那么自信了。其实大可不必这样担心,这种仅仅发生在多线程编程中,遇到有临界值访问的时候,直接使用 synchronized 关键字能够解决绝大部分的问题。
对于 Coverity,开始抱着敬畏知心,它是由一流的计算机科学家创建的。Coverity 作为一个程序,本身知道的东西比我们多得多,而且还比我认真,它指出的问题必须认真对待和分析。