你的单例模式真的安全吗？双重检索模式和指令重排序助你高垒单例安全防御

Posted 2021-06-30 java叶新东老师

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了你的单例模式真的安全吗？双重检索模式和指令重排序助你高垒单例安全防御相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

前言

单例的五种创建方式，可以看我另一篇文章：设计模式 -- 单例模式，这篇文章讲解了5种单例模式的创建方式，但今天我们来主要来讲讲单例的安全模式，那到底怎样才是安全的呢？那么接下来我会由浅入深的方式讲解单例模式；

1、饿汉式

package com.designPatterm.single;
/**
 * 单例模式--饿汉式
 * 线程安全，效率高
 */
public class SingletonModelEHan {
    private static final SingletonModelEHan obj = new SingletonModelEHan();
 
    // 私有构造方法，防止创建多个实例
    private SingletonModelEHan(){
        // 防止反射破坏单例
        if(null != obj) throw new RuntimeException("单例模式不允许创建多实例");
    }
    // 获取实例
    public static SingletonModelEHan getInstance(){
        return obj;
    }
}

1.1、饿汉式的优点

首先来讲讲饿汉式的实现方式，使用了静态的方式并且加上了final关键字，在静态变量上直接初始化对象，不得不说，这种方式可以说是最简单高效的，又安全，因为在class加载的时候就已经把实例给创建出来了，因为final关键字的限制让该属性无法改变，也不能指向另一个对象，直接就定死了一夫一妻制，真正做到了没有离婚，只有丧偶；除非被垃圾回收机制给回收了，否则这个引用和实例对象永远也别想分开；

1.1、饿汉式的缺点

刚刚说了那么多优点，难道没有缺点吗？肯定有啦，确实，饿汉式有一个致命的缺点，就是浪费资源，为什么说它浪费资源？因为你想啊，这个单例太饿了，在类加载的时候就已经把实例给创建出来了，应用上面的一夫一妻制来说的话，在你刚出生的时候就把老婆给娶了，你要知道，你娶老婆是要耗费人民币的呀，你爸口袋里就这么几个钢镚，都用来给你娶老婆了，其他的衣食住行不要钱的吗？要是人人都这样，没有了钱，家里人不都得饿死！所以，正因为饿汉式在一加载的时候就把实例创建好了，因此也耗费了内存，如果所有的对象都这么搞的话，内存空间不就很紧张了吗！当然，也不是没办法解决，接下来就是我将要讲解的懒汉式就是解决浪费资源问题的；

2、懒汉式

懒汉式其实很好理解，就是懒加载机制，单例模式不是立马就创建出来的，而是你需要用到的时候在去创建，就像这样

package com.designPatterm.single;

/**
 * 单例模式--懒汉式
 *
 */
public class SingletonModelLanHan {

    // 单例对象
    private static SingletonModelLanHan obj = null;
    
    // 获取实例
    public static  SingletonModelLanHan getInstance() {

        if(null == obj){
            try {
                // 延时1ms，实际应用中还需要要执行其他逻辑代码，用这1ms代替
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            obj = new SingletonModelLanHan();
        }
        return obj;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //  模拟高并发场景，用30个线程同时访问单例模式
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    SingletonModelLanHan instance = SingletonModelLanHan.getInstance();
                    System.out.println("单例对象的hashCode："+instance.hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

乍一看好像能解决耗资源的问题，但是你这样不安全啊，我单线程还好，如果我并发量高的话，照样会创建多个实例出来，不信？来，测试一把，运行main方法，然后用30个线程来同时调用 getInstance() 方法，然后打印每个单例的hashCode，如果hashCode不一样，就可以肯定是创建了多个实例；

运行main方法后，打印结果如下，由此可以看到，大多数实例的hashCode都是不一样的，可以证明，这个方案已经创建了多个实例；可以认定为是不可行的；

单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：1787454234
单例对象的hashCode：1787454234
单例对象的hashCode：963329488
单例对象的hashCode：678111586
单例对象的hashCode：1123839895
单例对象的hashCode：1259462729
单例对象的hashCode：678111586
单例对象的hashCode：2140280123
单例对象的hashCode：1259462729
单例对象的hashCode：672455970
单例对象的hashCode：1259462729
单例对象的hashCode：1357645154
单例对象的hashCode：107286582
单例对象的hashCode：1544341753
单例对象的hashCode：82146440
单例对象的hashCode：82146440
单例对象的hashCode：672455970
单例对象的hashCode：2140280123
单例对象的hashCode：1123839895
单例对象的hashCode：1073180601
单例对象的hashCode：1477151319
单例对象的hashCode：1073180601
单例对象的hashCode：1073180601
单例对象的hashCode：1544341753
单例对象的hashCode：1544341753
单例对象的hashCode：1544341753
单例对象的hashCode：1544341753
单例对象的hashCode：1544341753
单例对象的hashCode：107286582

Process finished with exit code 0

因为多个线程没有顺序地争抢时间片，导致拿到的数据不具备原子性，也就是线程不安全的行为，多个线程执行数据时的流程如下

2.1、解决线程安全问题--使用同步方法（synchronized）

让我们加个锁来试试，看看是不是能解决问题，很简单，就是在getInstance() 方法上面加个 synchronized 同步关键字，其他代码不变

关键代码： public static synchronized SingletonModelLanHan getInstance()

package com.designPatterm.single;

/**
 * 单例模式--懒汉式
 *
 */
public class SingletonModelLanHan {

    // 单例对象
    private static SingletonModelLanHan obj = null;

    // 获取实例，加锁实现线程安全
    public static synchronized SingletonModelLanHan getInstance() {

        if(null == obj){
            try {
                // 延时1ms，实际应用中还需要要执行其他逻辑代码，用这1ms代替
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            obj = new SingletonModelLanHan();
        }
        return obj;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //  模拟高并发场景，用100个线程同时访问单例模式
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    SingletonModelLanHan instance = SingletonModelLanHan.getInstance();
                    System.out.println("单例对象的hashCode："+instance.hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

运行之后，问题确实解决了，打印了清一色的hashCode，全都一样的，

单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485
单例对象的hashCode：1152408485

Process finished with exit code 0

2.1.1 加锁后带来的问题（效率低下）

你别说，加上 synchronized 关键字之后，确实解决了线程安全的问题，但是随之而来的又有了另一个问题： 效率低下，为什么这么说呢？其实啊，用你那聪明绝顶的脑瓜子想想就知道，synchronized 是悲观锁，每次调用这个方法之后都会把当前线程给锁住，我第一次创建实例的时候你把我锁住没关系，但是当实例创建好之后，我每次取单例对象的时候你也把线程给锁了，那么其他线程要取对象的时候就必须得排队，先进入阻塞状态，待获得锁的线程解锁后才能获取对象实例，这样对整个系统而言速度就下降了，

3、解决效率低下问题（使用同步代码块）

因为在方法上加上了synchronized关键字，所以不管是获取实例还是创建实例，都会上锁，所以我们这里将代码优化一下，只有创建实例的时候才上锁，获取实例就不上锁了，在这里的同步方法，改为同步代码块，

package com.designPatterm.single;

/**
 * 单例模式--懒汉式
 *
 */
public class SingletonModelLanHan {

    // 单例对象
    private static SingletonModelLanHan obj = null;

    // 获取实例，加锁实现线程安全
    public static  SingletonModelLanHan getInstance() {
        // 只有实力为空的时候才上锁
        if(null == obj){
            // 同步代码块，锁住当前类
            synchronized(SingletonModelLanHan.class){
                try {
                    // 延时1ms，实际应用中还需要要执行其他逻辑代码，用这1ms代替
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                obj = new SingletonModelLanHan();
            }
        }

        return obj;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //  模拟高并发场景，用100个线程同时访问单例模式
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    SingletonModelLanHan instance = SingletonModelLanHan.getInstance();
                    System.out.println("单例对象的hashCode："+instance.hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

关键代码如下，

           // 同步代码块，锁住当前类
            synchronized(SingletonModelLanHan.class){
                try {
                    // 延时1ms，实际应用中还需要要执行其他逻辑代码，用这1ms代替
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                obj = new SingletonModelLanHan();
            }

运行后，虽然效率上来了，但我们发现了一个更加致命的问题，打印的hashCode不一样了，完了完了，又变成了线程不安全的单例了

单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：429842367
单例对象的hashCode：196693010
单例对象的hashCode：196693010
单例对象的hashCode：196693010
单例对象的hashCode：196693010
单例对象的hashCode：196693010
单例对象的hashCode：196693010
单例对象的hashCode：196693010
单例对象的hashCode：1508659604
单例对象的hashCode：1893540388
单例对象的hashCode：107286582
单例对象的hashCode：1732326040
单例对象的hashCode：1357645154
单例对象的hashCode：1916740950
单例对象的hashCode：595972758
单例对象的hashCode：242512469
单例对象的hashCode：1123839895
单例对象的hashCode：1787454234
单例对象的hashCode：678111586
单例对象的hashCode：1195510409

Process finished with exit code 0

4、效率高又安全（双重检查锁定模式）

双重检索模式（double checked locking）是一种优化技术，先判断对象是否已经被初始化，再决定要不要加锁。其实原理很简单，就是在同步代码块的前面以及后面再加一层判断来保证线程安全，这样的做可以确保单例模式效率高的同时又安全

package com.designPatterm.single;

/**
 * 单例模式--懒汉式
 *
 */
public class SingletonModelLanHan {

    // 单例对象
    private static SingletonModelLanHan obj = null;

    // 获取实例，加锁实现线程安全
    public static  SingletonModelLanHan getInstance() {
        // 只有实力为空的时候才上锁
        if(null == obj){
            // 同步代码块，锁住当前类
            synchronized(SingletonModelLanHan.class){
                if(null == obj){
                    obj = new SingletonModelLanHan();
                }
            }
        }

        return obj;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //  模拟高并发场景，用100个线程同时访问单例模式
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    SingletonModelLanHan instance = SingletonModelLanHan.getInstance();
                    System.out.println("单例对象的hashCode："+instance.hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

关键代码如下，可以看到图中用了2个判空来保证安全性，

第一重判空检查变量是否被初始化(不去获得锁)，如果已被初始化则立即返回。
第二重判空检查变量是否已经被初始化，如果还没被初始化就初始化一个对象。

啥也不说，运行以下看看效果先，

单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409
单例对象的hashCode：1195510409

Process finished with exit code 0

打印的HashCode结果都一致了，好像没啥问题了，但是这里忽略一个更重要的问题，就是指令重排序，下一步我们接着讲解

5、绝对安全的单例模式（防止指令重排序）

防止指令重排序就能解决问题？那么在此之前，我们需要先知道什么是指令重排序；

5.1、什么是指令重排序

java和CPU、内存之间都有一套严格的指令重排序规则，哪些可以重排，哪些不能重排都有规矩的。编译器和处理器为了提高程序的运行性能，对指令进行重新排序。

cpu在执行一行指令的时候是非常快的，可以达到纳秒级别，但是如果执行指令的时候涉及到内存的读写，就会慢很多，可能需要上百甚至上千纳秒的时间；如果把cpu执行读写内存比喻为走路的话，那么cpu执行一行未设计到内存的指令就可以比喻为坐飞机，是非常快的，那在这个时候，cpu为了让执行效率最大化，就会对指令进行重新排序，重排序之后不会对语义和执行结果造成影响，只是为了执行速度更快而排序；关于重排序，以下的图中展示了排序前和排序后的变化，

通过排序后我们可以看到，

排序前顺序是1、2、3、4，
排序后变成了2、4、1、3

5.2、volatile 关键字防止指令重排序

因为java 在创建对象的时候有个半初始化的状态，关于什么是半初始化，请看我的另一篇文章有详细说明： java创建对象过程实例化和初始化

在双重检查锁定里面，有可能第一个线程已经执行到了半初始化的状态，但是第二个线程在第一重判断里面判断它已经是实例化了，但是还没初始化，因为不为空，所以把这个半初始化的对象return 出去了，注意，这是个不完整的对象，因为它还没初始化，所以它还不能使用，为了解决这个问题，我们就需要加上volatile 关键字防止指令重排序，用法也很简单，在单例对象上加上volatile 关键字就可以了；

关键代码： private volatile static SingletonModelLanHan obj = null;

package com.designPatterm.single;

/**
 * 单例模式--懒汉式
 *
 */
public class SingletonModelLanHan {

    // 单例对象
    private volatile  static SingletonModelLanHan obj = null;

    // 获取实例，加锁实现线程安全
    public static  SingletonModelLanHan getInstance() {
        // 只有实力为空的时候才上锁
        if(null == obj){
            // 同步代码块，锁住当前类
            synchronized(SingletonModelLanHan.class){
                if(null == obj){
                    obj = new SingletonModelLanHan();
                }
            }
        }

        return obj;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //  模拟高并发场景，用100个线程同时访问单例模式
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    SingletonModelLanHan instance = SingletonModelLanHan.getInstance();
                    System.out.println("单例对象的hashCode："+instance.hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

以上是关于你的单例模式真的安全吗？双重检索模式和指令重排序助你高垒单例安全防御的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Java - 单例陷阱——双重检查锁中的指令重排问题

单例模式-DCL

Java开发篇——设计模式单例模式你真的了解吗？（下）

单例模式双重锁为什么要volitie修饰：

单例设计模式和Java内存模型

单例模式双重检查（DCL）引发的多线程问题