单例模式线程安全问题引发的思考

Posted 2021-05-01 程序员二狗

前言

说到面试，肯定少不了并发编程、多线程这些啦，这部分相对来说有一定的难度，而且学了就忘，让人头大，因此我打算好好捋一捋这部分，还是那句话，99%的东西是不需要智力的，惟手熟尔，多看几遍写几遍就好啦。

概述

首先需要理解多线程编程的一些由来。其实无非就是改善单线程的速度，一定能改善吗?也不尽然，在单核机器上，如果当前线程一直阻塞在IO，那么此时多线程肯定是有必要的，不然一直等着他IO也不是个事儿啊；如果面对的是一些计算任务，每个任务都需要计算资源，假如CPU1秒钟处理一个，单线程的话10秒处理10个，此时若是换成多线程，处理时间不会表还是10，可能还要在加个几秒钟的线程切换开销，此时多线程反而就慢了。

当然现代计算机基本都是多核，多线程可以更好地利用资源，同时很多业务要求异步完成，也可以使用多线程。一旦引入多线程，就会出现线程通信的安全问题，比如单例模式在多线程下的应用。

线程安全问题之单例模式

public class SingletonDemo {

    private static SingletonDemo singletonDemo;

    public static SingletonDemo getSingletonDemo(){
        if(singletonDemo==null){
            singletonDemo=new SingletonDemo();
            System.out.println("创建单例");
        }
        return singletonDemo;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor= Executors.newFixedThreadPool(5);
        Thread task=new Thread(new Runnable() {
            @Override
 public void run() {
                SingletonDemo.getSingletonDemo();
            }
        });
        for(int i=0;i<100;i++) executor.execute(task);
    }
}

创建单例
创建单例

这是所谓的懒汉式单例，即需要时才加载。可以看到，多线程下这种单例模式被创建了两次，这其实就是可能同一时间两个线程进入了 if(singletonDemo==null)，即两个懒汉去抢食，所以就创建了两次。在这里我们可以通过Synchronized/volatile等实现线程安全，这二者在多线程中也是相当基础且非常重要的。

Synchronized解决线程安全

public static synchronized  SingletonDemo getSingletonDemo(){
        if(singletonDemo==null){
            singletonDemo=new SingletonDemo();
            System.out.println("创建单例");
        }
        return singletonDemo;
    }

其实就是在方法前加上了synchronized ，这个方法是static方法，所以synchronized 在这里的语义就是锁上了这个类，每次只有一个线程能访问这个类，这也就保证了不会出现两个懒汉同时来抢食的情况，即保证了临界资源的互斥访问，进而保证了线程安全。

synchronized 的语义就是加锁，用法如下

• 指定加锁对象，进入同步代码前要获得给定对象锁

• 直接作用实例方法 ，相当于给当前实例加锁

• 直接作用静态方法 给当前类加锁

这里怎么理解实例锁和类锁呢？

实例锁和类锁(static synchronized/synchronized)

实例锁

我理解的是，如果加的是实例锁，即每个实例有每个实例对应的锁，实例之间是不影响的。此时的锁只对实例自身有效。

public class SingletonDemo {

    public synchronized void sys(){
        System.out.println("eeeee");
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public synchronized void ycy(){
        System.out.println("zzzzzz");
    }
   
    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo singletonDemo1=new SingletonDemo();
        SingletonDemo singletonDemo2=new SingletonDemo();
        Thread task1=new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                singletonDemo1.sys();
            }
        });
        Thread task2=new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                singletonDemo2.sys();
                singletonDemo1.ycy();
            }
        });
        task1.start();
        task2.start();
    }
}

eeeee
eeeee
// 中间 sleep 3s
zzzzzz

代码很好理解，这段代码中是synchronized，即对应实例锁。可以看到singletonDemo1先执行sys()进入它的实例锁，并睡眠把持住实例锁，此时singletonDemo2并没有被阻塞，也进入了sys()方法，验证了我们说的实例之间是不影响的。singletonDemo1的ycy()方法被自身的sys()方法阻塞，即实例锁只对实例自身有效。

类锁

如果加的是类锁，此时对应static synchronized 那么不同实例之间是共享同一把锁的，此时一个实例进入了static synchronized后，代表该实例获得了锁，其他实例不能再获得锁，即其他实例不能再访问该类中的static synchronized方法，这也是我们的单例模式可以起作用的原因。

public class SingletonDemo {

    public static synchronized void sys(){
        System.out.println("eeeee");
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    public static synchronized void ycy(){
        System.out.println("zzzzz");
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Thread task1=new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                SingletonDemo.sys();
            }
        });
        Thread task2=new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                SingletonDemo.ycy();
            }
        });
        task1.start();
        task2.start();
    }
}

eeeee
// sleep 3s
zzzzz

这里使用的是static synchronnized，我们前边说所有实例之间共享一把锁，代码中其实可以把Singleton换成两个实例，结果是一样的（已测试），其实也很显然的。所有实例同一把锁，所以第一个实例进入sys()方法sleep后把持住锁，第二个实例就不能再获得该锁进入ycy，只能等待了。

说完了这两个锁，再回到我们的单例模式，我们可以发现，如果此时系统中有别的static synchronized,那么获取单例时也会将相对应的别的资源锁住，同时单例模式方法内部所有代码在一把锁中，锁的粒度也有点大，为了解决这些问题，我们引入了volatile。

volatile解决线程安全问题

private static volatile SingletonDemo singletonDemo;

public static  SingletonDemo getSingletonDemo(){
    if(singletonDemo==null){
        synchronized (SingletonDemo.class) {
            singletonDemo = new SingletonDemo();
            System.out.println("创建单例");
        }
    }
    return singletonDemo;
}

借助volatile，我们可以进一步细化锁的粒度，同时注意到此时一旦单例创建成功，后续获取单例操作都不需要再进入锁，这会大大减小系统开销。这一切都要归功于我们增加了volatile。

说volatile之前，我们先来了解下重排序。现代编译器为了编译效率等种种因素考虑，并不是按行编译指令的，而是对指令在不改变单线程程序语义的情况下进行了重排序，看明白了吧，单线程中没啥影响，多线程就不一定了。如果我们不使用volatile，可能会发生如下过程：

memory=allocate();    // 分配对象内存空间
ctorInstance(memory);  // 初始化对象
singleton=memory;   // 将singleton指向刚分配好的空间

这是正常的执行顺序，可能就会被重排序为如下

1 emory=allocate();    // 分配对象内存空间
2 singleton=memory;   // 将singleton指向刚分配好的空间
3 ctorInstance(memory);  // 初始化对象

如果说线程A执行到2，此时线程B执行if(singletonDemo==null)，就会判定singleton不为空，接着 return singleton，return了一个空的值，Omg！这显然不可行。所以我们需要避免重排序，volatile登场了。

每个线程都有其对应的本地缓存，volatile变量修饰的变量在写的时候会被立即刷新到主内存，其他线程的该变量此时都置为无效，其他线程若是想读取该变量，就只能去主内存读取最新的。这也就解决了上述问题，所以可以保证线程安全。关于volatile，限于篇幅，留到下篇吧。

总结

通过单例模式回顾了下synchronized的相关场景用法，注意static synchronized 是全局锁，sunchronized事是实例锁，关于volatile，下篇见吧~