Singleton Pattern

作者: C_Cafe | 来源:发表于2017-07-04 16:59 被阅读72次

    单例分为懒汉模式和饿汉模式:


                                                     饿汉模式


                                                      懒汉模式

    本文主要分析懒汉模式相关。

    先说下以前面试时让我写单例模式我的写法:

    先看下上面写得代码,这个代码基本没有问题,并且还考虑到了线程的问题,但是如果要我打分的话这段代码顶多60分刚及格。那就先分析一下这段代码,这段代码很简单,而且也能在多线程的情况下保证其正确性,但有个致命缺点就是性能,多个线程同时调用这个函数,那这个的性能就可想而知了,每个线程必须等待一个线程执行完才可以进入,这样性能肯定不能满足需求。

    再来看下下面的代码:

    这段代码将同步块加到函数里,并且在进入同步块之前有个判断,这样当instance不为空的时候,无论有多少线程调用,效率都会非常高。但是这段代码是有问题的代码。

    为了了解这段代码的问题所在,那就先分析下Java创建对象时候的内存情况。

    instance=new SingletonClass();

    这句话在这看似是一句,其实在内存中可以分为一下几步:

    1.在堆中创建一个SingletonClass的类对象。

    2.调用SingletonClass()函数,来初始化。

    3.将类对象地址传递给对象的引用。

    还是没有懂得可看这:

    这个讲的this逃逸(我感觉和我说的这个问题属于一个问题,嘻嘻)

    还有这里所讲的创建对象及初始化过程

    通过这几个步骤,很容易就可以分析出上面的问题所在。

    假如第一个线程进来,此时还未创建对象,instance的值为空,进入同步块,此时执行new对象。而执行顺序是1->3->2。在执行完3后,另一个线程进来,此时instance的值已经不为空了,直接返回,之后这个线程来获取testNum,那么获取的值为0.原因是上一个线程还没有执行初始化,这样获取的值就会错误,程序就会出现一些意想不到的bug。

    为了解决上面所说的这些问题,比较完美的单例模式(我自己认为的,其他更好的还没看到。。我见识比较少。。要是有更好的欢迎提出):

    不仔细的人肯定认为这段代码和上面那段一样,注意看变量声明那块,这段代码在声明变量的时候加了个关键字volatile。那么现在就来说说这个关键字。

    在说这个关键字之前得先说下Java的重排序相关(好吧~~这篇说的知识点有点多。。而且很枯燥。。)。

    简单来说,重排序的意思就是你在执行Java代码的时候,程序的运行顺序可能和你所写顺序不同。举个例子:

    一般认为,我书写的是A->B->C,那么执行的顺序也应该是A->B->C.可是由于重排序的关系执行顺序可能会发生改变,变为B->A->C。因为C和A,B有数据依赖关系,所以C的结果是不会变的,而A B之间不存在数据依赖,他们的执行顺便有可能会发生重排序。对于这个例子来说,无论怎么变,都不会影响数据结果。那么来看看这个例子:

    如果有两个线程,一个执行write,一个执行read。问i的值会是多少?

    首先可以肯定的是值为4.那大家想想有没有可能值为0呢?

    根据前面重排序的理论,a和flag没有数据依赖,那么他们在运行时可能会发生重排序,那么就会变为一个线程运行2->1 ,在这个线程运行2的时候另一个运行 3->4 ,也就是运行顺序是2->3->4->1.

    解决方法如下:

    只要在flag申明的时候加个volatile就可解决。

    那么现在就先分析这段代码。

    根据happens-before原则,

    根据程序次序:1 happens-before 2, 3 happens-before 4

    根据volatile规则:2 happens-befoe 3

    根据传递原则:1 happens-before 4

    这样就不会出现上面说的:2->3->4->1这样的结果了。

    这次再来分析一下上面所说的单例模式。

    给instance加上volatile后,会阻止instance重排序,根据规则(对于volatile的读,总是能看到对volatile的最后写入),这样我们new instance的时候,如果instance未写入,其他线程都会取得instance为空,当instance写入后,由于volatile阻止了重排序,这样写入后初始化也完成了,再次获取初始化的值也就是正确的了,也就不会有上面那种错误了。

    按道理文章应该到此结束,单例的相关已经分析完成,但是对于volatile的理解可能还是模棱两可,而且在程序中很容易理解错误。

    很多人认为我把一个变量加上volatile后就能保证多线程同步,该变量的操作就变成了原子操作,这个想法绝对不对!!!

    首先,volatile不能保证同步,他可以阻止重排序,每次读的值是上次赋的值,比如:

    a初始值为0,100个线程去操作。

    a=a+1;

    问a的值是多少?

    答案是1到100都可能。有人会说,不是说volatile读的是上次的值嘛,为什么还会有这种情况。对volatile是读取的是上次的值,可是我们要得分析一下a=a+1的操作。从上层来看这就是一步加法操作,可是电脑不认,我们得从汇编角度来看这段代码,汇编寄存器记号什么的我还给老师了,那就用口述吧。

    1,获取a的值,将a放到寄存器中;

    2,将a自加一;

    3,将结果放回变量地址;

    这个三步,假如A线程获得a的值,++后,还未放回去,B线程再来获取a的值时,获取的是以前的值,这时a的值就会发生错误。当写入后下一个线程过来读取的就是新的a的值。如此继续下去,a的值肯定会和所想值不一样。

    我想现在应该比以前更了解volatile的作用了。

    好吧,稍微总结下:

    程序中使用volatile,可以防止重排序,这样可以免去重排序所带来的未知错误。

    volatile没办法保证同步问题,要解决同步相关还得加synchronized或者lock。

    以上文章是自己的认识,有什么不对请指出,谢谢!

    更多关于多线程的知识请参考:

    “深入理解java内存模型”和“JSR133”这两本书

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