Реализация Singleton в JAVA
В этой статье я хочу затронуть тему одного из наиболее распространенных паттернов объектно-ориентированного программирования – Singleton. Но в данном случае я не буду описывать преимущества/недостатки и области применения этого паттерна, а попытаюсь изложить свой взгляд на его имплементацию в JAVA.
Общие сведения
Паттерн Singleton гарантирует, что у класса есть только один экземпляр, и предоставляет к нему глобальную точку доступа.
Область применения
1.) В системе должно существовать не более одного экземпляра заданного класса.
2.) Экземпляр должен быть легко доступен для всех клиентов данного класса.
3.) Создание объекта on demand, то есть, когда он понадобится первый раз, а не во время инициализации системы.
Реализация (JAVA):
На данный момент существуют несколько вариантов реализации со своими недостатками и преимуществами. В них мы и попробуем сейчас разобраться.
Вариант первый – самый простой, который приходит в голову сразу после понимания проблемы.
У этого решения есть единственный недостаток – оно не работает в многопоточной среде и поэтому не подходит в большинстве случаев. Решение подходит исключительно для однопоточных приложений.
Не беда, скажите вы, и предложите следующее решение.
Вариант второй:
И вы будете правы, так как проблему многопоточности мы решили, но потеряли две важные вещи:
1. Ленивую инициализацию (Объект instance будет создан classloader-ом во время инициализации класса)
2. Отсутствует возможность обработки исключительных ситуаций(exceptions) во время вызова конструктора.
Решение подходит для многопоточных приложений, при условии отсутствия опасности возникновения исключительных ситуаций в конструкторе и отсутствии необходимости ленивой инициализации.
Далее возникают 2 варианта решения.
1.) Использование внутреннего класса(решение Била Пью(Bill Pugh) “Initialization on Demand Holder”).
2.) Использование синхронизации.
Вариант третий:
“Initialization on Demand Holder”
В данном случае мы полностью решили проблему ленивой инициализации – объект инициализируется при первом вызове метода getInstance(). Но у нас осталась проблема с обработкой исключительных ситуаций в конструкторе. Так что, если конструктор класса не вызывает опасений создания исключительных ситуаций, то смело можно использовать этот метод.
Синхронизация
Этой части я хотел бы уделить особое внимание. Можно было бы подойти к данному вопросу с заголовком «synchronized – мифы и реальность».
И так, самый прямолинейный метод.
Вариант четвертый:
У этого варианта есть только один недостаток. Синхронизация полезна только один раз, при первом обращении к getInstance(), после этого каждый раз, при обращении этому методу, синхронизация просто забирает время. Что можно сказать по этому поводу? Ну, во-первых, если вызов getInstance() не происходит достаточно часто (что значит «достаточно часто» решать вам), то этот метод имеет преимущество перед остальными – прост, понятен, лениво инициализируется, дает возможность обрабатывать исключительные ситуации в конструкторе. А во-вторых, синхронизация в Java перестала быть обременительно медленной настолько, насколько ее боятся. Ну что еще для счастья надо?
Теперь рассмотрим вариант синхронизированного решения, в котором попытаемся решить проблему, возникшую в предыдущем варианте.
Наиболее распространенный способ — «Double-Checked Locking». В своем оригинальном варианте:
Не работает! Почему? Это отдельная тема, но для интересующихся могу посоветовать прочитать эту статью http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html.
Но не надо совсем отчаиваться, в JAVA 5 проблему решили, используя модификатор volatile. На данный момент решение выглядит так:
Вариант пятый:
Не смотря на то, что этот вариант выглядит как идеальное решение, использовать его не рекомендуется т.к. товарищ Allen Holub заметил, что использование volatile модификатора может привести к проблемам производительности на мультипроцессорных системах. Но решать все же вам.
Вот, в общем-то, и все распространенные варианты имплементаций данного паттерна. Но, на этом не заканчиваются подводные камни Singleton-а. Существуют еще несколько моментов, которые нужно учитывать во время проектирования того или иного приложения, использующего Singleton.
Подводные камни
1. Наследование
В подавляющем большинстве случаев в Singleton классах наследование не нужно и, более того, излишне и является следствием over-design. Да и реализация наследования имеет определенные сложности, учитывая, что и сам instance и метод getInstance() статические.
Поэтому, я рекомендую использовать модификатор final и запретить наследование данного класса, если нет особой необходимости в обратном.
2. Две и более виртуальных машины
Каждая виртуальная машина создает свою копию Singleton объекта. И хотя на первый взгляд это выглядит очевидным, во многих распределенных системах, таких как EJB, JINI и RMI все не так просто. Когда промежуточные уровни скрывают (делают прозрачными) распределенные технологи, бывает трудно сказать, где и когда инициализирован объект.
3.Различные Class Loader-ы
Когда 2 class loader-а загружают класс, каждый из них может создать свою копию Singleton-а(в тех случаях, когда instance инициализируется class loader-ом ). Это особенно актуально в использовании сервлетов(servlet), так как в некоторых имплементациях серверов приложений(application server) каждый сервлет имеет свой class loader.
Существует еще ряд проблем, которые менее актуальны (такие как технология reflection и имплементация интерфейсов Cloneable и Serializable), и не будут мною рассмотрены в силу своей экзотичности в сфере применения Singleton классов. Но, в любом случае, с радостью отвечу на любые вопросы к этому материалу.
Вот, в общем-то, и все ключевые моменты, которые я хотел осветить в данной статье. Осталось лишь заметить, что данный материал не претендует быть истиной в последней инстанции и допускает существование точек зрения, отличающихся от точки зрения автора. И даже более того, любые замечания приветствуются и будут прияты к сведению.
Правильный Singleton в Java
Уверен, каждый из читателей, знает что такое шаблон проектирования “Singleton”, но не каждый знает как его программировать эффективно и правильно. Данная статья является попыткой агрегирования существующих знаний по этому вопросу.
Кроме того, можно рассматривать статью как продолжение замечательного исследования, публиковавшегося на Хабрахабре ранее.
Неленивый Singleton в Java
Автору известно два способа реализации шаблона с нормальной инициализацией.
1 Static field
+ Простая и прозрачная реализация
+ Потокобезопасность
— Не ленивая инициализация
2 Enum Singleton
По мнению Joshua Bloch’а это лучший способ реализации шаблона [1].
+ Остроумно
+ Сериализация из коробки
+ Потокобезопасность из коробки
+ Возможность использования EnumSet, EnumMap и т.д.
+ Поддержка switch
— Не ленивая инициализация
Ленивый Singleton в Java
На момент написания статьи существует как минимум три корректных реализации шаблона Singleton с ленивой инициализацией на Java.
1 Synchronized Accessor
public class Singleton < private static Singleton instance; public static synchronized Singleton getInstance() < if (instance == null) < instance = new Singleton(); >return instance; > > + Ленивая инициализация
— Низкая производительность (критическая секция) в наиболее типичном доступе
2 Double Checked Locking & volatile
public class Singleton < private static volatile Singleton instance; public static Singleton getInstance() < Singleton localInstance = instance; if (localInstance == null) < synchronized (Singleton.class) < localInstance = instance; if (localInstance == null) < instance = localInstance = new Singleton(); >> > return localInstance; > > + Ленивая инициализация
+ Высокая производительность
— Поддерживается только с JDK 1.5 [5]
2.1 Почему не работает без volatile?
Проблема идиомы Double Checked Lock заключается в модели памяти Java, точнее в порядке создания объектов. Можно условно представить этот порядок следующими этапами [2, 3]:
Пусть мы создаем нового студента: Student s = new Student(), тогда
1) local_ptr = malloc(sizeof(Student)) // выделение памяти под сам объект;
2) s = local_ptr // инициализация указателя;
3) Student::ctor(s); // конструирование объекта (инициализация полей);
Таким образом, между вторым и третьим этапом возможна ситуация, при которой другой поток может получить и начать использовать (на основании условия, что указатель не нулевой) не полностью сконструированный объект. На самом деле, эта проблема была частично решена в JDK 1.5 [5], однако авторы JSR-133 [5] рекомендуют использовать voloatile для Double Cheсked Lock. Более того, их отношение к подобным вещам легко прослеживается из коментария к спецификации:
There exist a number of common but dubious coding idioms, such as the double-checked locking idiom, that are proposed to allow threads to communicate without synchronization. Almost all such idioms are invalid under the existing semantics, and are expected to remain invalid under the proposed semantics.
Таким образом, хотя проблема и решена, использовать Double Checked Lock без volatile крайне опасно. В некоторых случаях, зависящих от реализации JVM, операционной среды, планировщика и т.д., такой подход может не работать. Однако, серией опытов сопровождаемых просмотром ассемблерного кода, генерированного JIT’ом автору, такой случай вопросизвести не удалось.
Наконец, Double Checked Lock можно использовать без исключений с immutable объектами (String, Integer, Float, и т.д.).
3 On Demand Holder idiom
public class Singleton < public static class SingletonHolder < public static final Singleton HOLDER_INSTANCE = new Singleton(); >public static Singleton getInstance() < return SingletonHolder.HOLDER_INSTANCE; >> + Ленивая инициализация
+ Высокая производительность
— Невозможно использовать для не статических полей класса
Performance
Для сравнения производительности выше рассмотренных методов, была использована микро-бенчмарка [6], определяющая количество элементарных операций (инкремент поля) в секунду над Singleton объектом, из двух параллельных потоков.
Измерения производились на двухядерной машине Intel Core 2 Duo T7300 2GHz, 2Gb ram и Java HotSpot(TM) Client VM (build 17.0-b17). За единицу скора считается количество инкрементов (а следовательно и захватов объекта) в секунду * 100 000.
(больше — лучше)
| Client | Server | |
|---|---|---|
| Synchronized accessor | 42,6 | 86,3 |
| Double Checked Lock & volatile | 179,8 | 202,4 |
| On Demand Holder | 181,6 | 202,7 |
Вывод: если правильно подобрать реализацию шаблона можно получить ускорение (speed up) от 2х до 4х.
Summary
Можно выделить следующие короткие советы по использованию того или иного подхода для реализации шаблона “Одиночка” [1].
1) Использовать нормальную (не ленивую) инициализацию везде где это возможно;
2) Для статических полей использовать On Demand Holder idom;
3) Для простых полей использовать Double Chedked Lock & volatile idom;
4) Во всех остальных случаях использовать Syncronized accessor;
Java Class Library & Singleton
Примечательно, что разработчики Java Class Library выбрали наиболее простой способ реализации шаблона — Syncronized Accessor. C одной стороны — это гарантия совместимости и правильной работы. С другой — это потеря процессорного времени на вход и выход из критической секции при каждом обращении.
Быстрый поиск grep’ом по исходникам дал понять, что таких мест в JCL очень много.
Возможно следующая статья будет “Что будет если в Java Class Library правильно написать все Singleton классы?” 🙂