从单例模式到并发编程volatile

Posted 2022-11-28 rotk2015

1. 单例模式：一个只能创建一个对象的类。

2. 饿汉式，直接在内部创建好对象，需要时return，优点是需要时直接就能获取对象，且并发安全，缺点是如果一直不需要的话，会造成资源浪费：

   public class test 
       private static test aInstance = new test();
       private test()
       public static test getInstance()
           return aInstance;
           
   
   

3. 简单懒汉式（懒加载）：需要时再创建：

   public class test 
       private static test aInstance = null;
       private test()
       public static test getInstance()
           if(aInstance == null)
               aInstance = new test();
           return aInstance;
          
   
   

4. 简单懒汉式的缺点是并发不安全，可能有多个线程同时进入到 if 语句内，导致创建多个实例，解决方法很简单，加锁：

   public class test 
       private static test aInstance = null;
       private test()
       public static synchronized test getInstance()
           if(aInstance == null)
               aInstance = new test();
           return aInstance;
          
   
   

5. 加锁后，解决了线程安全的问题，但是，当我们正确创建了唯一实例后，线程不安全的问题就不存在了，以后每次都只是 return aInstance，但由于加了锁，带来了不必要的时间开销，解决方法是缩小锁的范围：

   public class test 
       private static test aInstance = null;
       private test()
       public static test getInstance()
           if(aInstance == null)
               synchronized (test.class)
                   if(aInstance == null)
                       aInstance = new test();
               
           return aInstance;
       
   
   

   这种写法要注意的是，在锁内部又对 aInstance 进行了一次判空，原因是：如果没有第二次判空，仍然是线程不安全的，因为可能有多个线程同时越过了第一次判空，卡在了锁前，虽然锁能保证每次只进去一个线程，但是仍会创建多个实例。因此，在锁内必须要再进行一次判空，这种写法叫双重检测锁（DCL，double check lock）。

6. 但是，DCL仍然有问题，因为 new 不是原子操作，在指令重排的情况下，可能会有某线程获得一个未初始化的实例对象（原子性及有序性问题）。解决方法是用 volatile 禁止指令重排（适用于jdk1.5之后）：

   public class test 
       private static volatile test aInstance = null;
       private test()
       public static test getInstance()
           if(aInstance == null)
               synchronized (test.class)
                   if(aInstance == null)
                       aInstance = new test();
               
           return aInstance;
       
   
   

7. 那么，有没有其他方法实现类似的效果呢？

8. 静态内部类，在外部类加载时，静态内部类不会加载，因此只有在运行到Holder.aInstance时加载内部类，初始化单例，且初始化时保证线程安全，不过缺点是无法传参：

   public class test 
       private test()
       private static class Holder 
           static test aInstance = new test();
       
       public static test getInstance()
           return Holder.aInstance;
       
   
   

9. 以上的写法都无法抵御反射攻击以及序列化攻击，而能抵御这两种攻击的简单高效方法是通过：枚举类型：

   public enum test 
       INSTANCE;
       public void speak()
           System.out.println("hello!");
       
       public static void main(String[] args) 
           test.INSTANCE.speak();
       
   
   

10. JDK中的单例模式：Runtime类（饿汉式）。

11. 指令重排：编译器优化重排（不改变单线程语义）、指令并行重排（不存在数据依赖的前提下，在流水线基础上进一步优化）、内存系统重排序。后两者属于处理器重排。

    数据依赖：对同一变量，写后写，写后读，读后写。

    对于编译器重排，可以人为限定优化规则，来禁止某些类型的编译器重排；而对于处理器重排，则需要通过插入底层指令来进行避免，而对于不同的处理器架构，需要的指令也不同，但是，我们期望其呈现出的效果总是一致的，这也就引出了所谓内存屏障的概念。

    内存屏障：store store, store load, load load, load store。

12. happens-before，JMM（Java Memory Model）对指令重排做出的限定，保证特定规则下重排的结果一定符合按某种先后顺序推演的结果（即多线程可见性）。JMM并非完全禁止了指令重排，而是在保证结果正确性的前提下，给编译器、CPU留了些优化余地。再次强调，happens-before是多线程的。

13. 并发编程不安全问题根源：可见性、有序性、原子性。

    可见性：多核心下，工作在不同CPU的线程间只能看到局部的工作内存（这里借用了JMM的说法，注意，工作内存包括缓存、寄存器、写缓冲区等），由此引发的不同步问题（单核多线程不存在可见性问题）。

    缓存一致性协议：多核心为解决缓存（cache）不一致问题，在硬件层面实现了各核心的缓存（cache）的一致性。常见的有MESI协议。但是，各核心的工作内存间仍无法保证瞬时一致。

    原子性：单核多线程间切换，导致一条高级编程语言（i++）对应的多条CPU指令被拆散，引发的不一致问题。

    有序性：编译器、处理器重排序。

14. X86架构下volatile原理: volatile会增加一条lock前缀空指，在写的时候让store buffer的值立刻刷入缓存，由此触发MESI，使得其他缓存的缓存行数据失效，保证可见性（lock同时也能禁止指令重排序）。详情参考：知乎相关问题：volatile与MESI的关系，罗一鑫的回答以及对应评论，内存屏障今生之Store Buffer, Invalid Queue。

    volatile一图流（原创），求了再别问我啥原理了orz：
    

15. 为了便于以后回想本部分，列一些关键点。

    Java中广义的volatile实现原理是插入内存屏障（参见第11条）：volatile写前后各一个，volatile读后边两个。而一旦落实的具体实现，由于不同的CPU架构下，会出现的处理器重排序情况是不同的，故要插入的内存屏障，以及内存屏障的具体实现方式也是不同的。

    一般而言，内存屏障的主要实现原理都是，写屏障：处理完store buffer回写cache；读屏障：处理完invalid queue。

    x86支持MESI，采用TSO模型，没有invalid queue，故只需解决store load。

参考资料：

1. DoubleCheckedLocking。
2. 深入理解单例模式：静态内部类单例原理。
3. happens-before八大规则通俗易懂的讲解。
4. happens-before通俗讲解。
5. 并发编程三大问题：可见性、有序性、原子性的由来。
6. volatile，synchronized原理 <=> 可见性、有序性。
7. 从Java多线程可见性谈Happens-Before原则。
8. Java内存模型与指令重排。
9. Java并发编程之happens-before和as-if-serial语义。