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单例模式为什么要用Volatile关键字

单例模式为什么要用Volatile关键字

作者: 王李荣 | 来源:发表于2018-09-04 15:23 被阅读0次

    线程安全的单例模式常见写法是双重检查加锁。代码如下:

    
    class Singleton{
    
        private volatile static Singleton singleton;
    
    
    
        private Singleton(){}       
    
        public static Singleton getInstance(){       
    
            if(singleton == null){                  // 1
    
                synchronized(Singleton.class){      // 2
    
                    if(singleton == null){          // 3
    
                        singleton = new Singleton(); // 4
    
                    }
    
                }
    
            } 
    
            return singleton;           
    
        }
    
    }
    
    

    双重检查加锁的单例模式代码上就比较复杂,尤其体现在getInstance方法上,包括两次检查singleton是否是null,一次加锁,singleton用关键字volatile修饰。为什么写一个单例如此复杂呢?

    首先是懒汉模式,实例的初始化延迟到getInstance方法中,为了保证只会生成一个实例,要先判断singleton是否已经初始化,如果已经初始化了,就返回singleton,没有的话就创建对象。这就是1的作用。如果是单线程的情况,这样就够用了。

    在多线程的情况下,只有1,没有2,3,就可能导致创建多个实例。例如,线程A和线程B调用getInstance方法,线程A先判断了1,然后时间片结束了,切换到线程B,线程B判断1,然后创建了singleton。时间片有切会线程A,线程A创建实例。这样就线程A和线程B就分别创建了一个实例了。破坏了单例的结构。

    为了解决这个问题,加了synchronized保证只有一个线程进入临界区。那只有2,没有3,可以吗?还是考虑和前面一模一样的场景,这次线程A和线程B都判断了1了,进入2,线程A先进入临界区,线程B发现线程A进入了临界区,就挂在了Singleton.class等等待队列中,等待线程A执行完成。线程A继续执行,创建了一个singleton实例。退出了临界区。然后线程B被唤醒,进入临界区,又创建了一个singleton实例。结果又创建了两个singleton实例。

    所以3的作用很明显了。在上面例子中,如果线程B发现实例已经被创建了(singleton不等于null),就直接退出临界区了。那1和3的作用似乎有点重合了,1似乎就不是必须了。2,3确实就足够保证单例了。但是加锁是比较消耗资源的,1就是为了减少资源的消耗。

    最后,这么看来1,2,3,4就足以保证单例了。那为什么需要加volatile呢?volatile就牵扯到指令重排序的问题了。

    要理解为什么要加volatile,首先要理解new Singleton()做了什么。new一个对象有几个步骤。1.看class对象是否加载,如果没有就先加载class对象,2.分配内存空间,初始化实例,3.调用构造函数,4.返回地址给引用。而cpu为了优化程序,可能会进行指令重排序,打乱这3,4这几个步骤,导致实例内存还没分配,就被使用了。

    再用线程A和线程B举例。线程A执行到new Singleton(),开始初始化实例对象,由于存在指令重排序,这次new操作,先把引用赋值了,还没有执行构造函数。这时时间片结束了,切换到线程B执行,线程B调用new Singleton()方法,发现引用不等于null,就直接返回引用地址了,然后线程B执行了一些操作,就可能导致线程B使用了还没有被初始化的变量。

    加了volatile之后,就保证new 不会被指令重排序。

    至此,这就是一个完整的懒汉模式—>线程安全的->双重检查加锁单例模式。

    推荐另一种单例模式的写法:

    class Singleton{
        private Singleton(){}
        
        private static class LazySomethineHolder{
            public static Singleton singleton = new Singleton();
        }
    
        public static Singleton getInstance(){
            return LazySomethineHolder.singleton;
        }
    }
    

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