单例模式与多线程安全

作者: wa1terwen | 来源:发表于2017-06-15 23:58 被阅读0次

单例模式简介

想要唯一的创建一个对象,我们不通过约定,而是通过制定约束的方式去限制。虽然我们可以建立一个全局变量。

public singleton{
    private Singleton() {}
}

通过构造方法私有化可以避免外部实例化,不过这样我们也无法获得实例,我们继续改造代码。

public Singleton{
    private static Singleton singletonInstance; 
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if(singletonInstance == null) {
            singletonInstance = new Singleton();
        } 
        return singletonInstance;
    }
}

通过静态方法我们就可以通过类名去调用getInstance()来获得实例啦,这样比全局变量的好处就是延迟实例化,也叫懒汉模式,只有在用这个实例调用方法的时候,方法才被加入到内存中,当对象不用的时候,gc会将方法回收。既拥有全局变量的优点又避免了全局变量的缺点。

没那么完美

看起来好像大功告成了,但仔细考虑,当多线程执行这段代码的时候,可能会出现这样的问题:

  1. 首先线程A首次访问getInstance()判断实例为null,线程A停止执行,线程B获得时间片。
  2. 线程B首次访问getInstance(),此刻线程A还未执行实例化语句,也判断是null。
  3. 线程A、B都将创建一个Singleton。

分析原因

原因就在于getInstance方法并不是同步的,当线程A进入方法时,线程B也可以进入,于是我们可以给getInstance()方法上锁,加上synchronized关键字,这样问题就解决了。

public Singleton{
    private static Singleton singletonInstance; 
    private Singleton() {}
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if(singletonInstance == null) {
            singletonInstance = new Singleton();
        } 
        return singletonInstance;
    }
}

局部加锁还是方法上锁

好像已经很完美了吧,但是加了锁之后效率非常低,我们观察,其实只需要在第一次没有创建对象的时候上锁就可以了,当创建对象之后,不需要进行同步。那么我们只需要判断当对象为空的时候,给创建对象代码块加锁就可以了,当对象不为空的时候我们直接返回对象。

public Singleton{
    private volatile static Singleton singletonInstance; 
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if(singletonInstance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singletonInstance == null) {
                    singletonInstance = new Singleton();
                }
            }
        } 
        return singletonInstance;
    }
}

a. 首先线程A首次访问getInstance()判断实例为null,假设线程A停止执行,线程B获得时间片。
b. 线程B首次访问getInstance(),此刻线程A还未执行实例化语句,也判断是null。
c. 假设线程A获得时间片,线程A获得锁,线程B无法进入,再次判断是否为null,是则创建对象。线程A释放锁,线程A运行结束。
d. 线程B获得时间片,线程B获得锁,再次判断是否为null,结果为否,则不创建对象,线程B释放锁,线程B运行结束。
这种方式叫做double-checked locking(简称DCL,双重检查加锁机制)。

volatile禁止重排序

由于JIT编译器为了提高性能,可能在 singletonInstance = new Singleton();发生重排序,伪代码为:

  • memory = allocate(); //1:分配对象的内存空间
  • ctorInstance(memory); //2:初始化对象
  • instance = memory; //3:设置instance指向刚分配的内存地址

其中,2和3步骤可能会重排序,2和3得顺序可能会跌倒。所以有这样一种可能,当线程A实例对象时,执行顺序为132,线程B进入代码后看到instance得内存地址认为对象不为null,便返回实例,但是此刻线程A的初始化对象还没有执行,所以返回得是空值。

解决方案

饿汉模式

除了DCL方法和方法上锁以外,我们还可以在类加载器加载时在静态初始化器直接创建,此方法也叫饿汉模式(对比懒汉是先甭管你需不需要直接创建)。(如果使用多个类加载器可能导致单件失效)

 public Singleton{
    private static Singleton singletonInstance = new Singleton(); 
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        return singletonInstance;
    }
}

其他方案

  • 使用static代码块实现单例模式
  • 使用enum枚举实现单例模式

总结

单例模式的主流方案有:

  • 懒汉模式
  • 饿汉模式
  • DCL双检查机制
    对于懒汉模式是非线程安全的,所以我们进行改进,先是通过同步方法的方式,然后因为效率的问题,我们采用了DCL双检查机制,其中还要考虑到此处的volatile关键字并非是保证线程可见性而是避免可重性的问题,另外,在序列化与反序列话的的过程中,要保证单例需要使用readResolve()方法进行保护。

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