线程安全的单例模式

Posted 2021-03-04 yangyongjie

　　双重检查锁与延迟初始化（懒汉式）

　　　　在Java多线程程序中，有时候需要采用延迟初始化来降低初始化类和创建对象的开销，在使用这些对象时才进行初始化。延迟初始化需要注意线程安全

　　问题，否则就容易出现问题。

　　　　单例模式在获取实例的方法中，若只判断实例是否为null，是则创建对象，否则获取对象。这种方法在多线程执行的时候必然会有线程安全问题。若获取

　　实例方法加synchronized关键字，则能实现线程同步解决线程安全问题，但是多线程下频繁调用会造成巨大的性能开销。

　　　　1、双重检查锁及其错误根源

　　　　　　双重检查锁是常见的延迟初始化技术，初衷是用它来降低同步的开销，但是它是错误的用法。

　　　　双重检查锁代码：

public class DoubleCheckLock {
    private static Instance instance;
    public static Instance getInstance(){
        // 第一次检查
        if(instance==null){
            // 第一次检查为null再进行加锁，降低同步带来的性能开销
            synchronized (DoubleCheckLock.class){
                // 第二次检查
                if(instance==null){
                    // 问题出在此处
                    instance=new Instance();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

 

　　　　　错误根源：

　　　　　　当第一次检查时，读取instance不为null时，instance引用的对象可能还没有完成初始化！原因在于多线程下的重排序。

　　　　　　instance=new Instance();  分为三步

　　　　　　　　1）分配对象的内存空间

　　　　　　　　2）初始化对象

　　　　　　　　3）设置instance引用指向刚分配的内存地址

　　　　　　但是在一些编译器上（如JIT），2）和3）可能会发生重排序。

　　　　　　Java规范保证了重排序不会改变单线程内的程序执行结果。但是在多线程下，若线程A在执行instance=new Instance();时发生了重排序，先执行了3），

　　　　这时候线程B刚好获取到了instance不为null，接着去访问对象。但是这个时候线程A还未执行2），即还没被线程A初始化，那么这个时候线程B得到的就是

　　　　一个还没有初始化的对象。

　　　　　　解决方案：

　　　　　　　　（1）不允许2）和3）重排序

　　　　　　　　（2）允许2）和3）重排序，但不允许其他线程“看到”这个重排序

　　　　

　　　　2、基于volatile的解决方案

　　　　　通过将instance声明为volatile型来禁止2）和3）之间的重排序

public class VolatileDoubleCheckLock {
    // 将instance声明为volatile型
    private volatile static Instance instance;
    public static Instance getInstance(){
        // 第一次检查
        if(instance==null){
            // 第一次检查为null再进行加锁，降低同步带来的性能开销
            synchronized (VolatileDoubleCheckLock.class){
                // 第二次检查
                if(instance==null){
                    // 多线程下将禁止2）和3）之间的重排序
                    instance=new Instance();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

 

　　　　3、基于类初始化的解决方案

　　　　　JVM在类的初始化阶段（即被Class加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，JVM会去获取一个锁（Class对象的初始化锁）。这个锁可以同步多个线程对一个类的初始化。

public class InstanceFactory {
    private static class InstanceHolder{
        public static Instance instance=new Instance();
    }
    
    public static Instance getInstance(){
        return InstanceHolder.instance;
    }
}

 　　　在多线程下，第一个执行getInstance方法的线程会先初始化InstanceHolder类。多个线程的情况下也只有一个线程能获取到InstanceHolder类的Class对象的初始化锁。第一个获取到nstanceHolder类的Class对象的初始化锁的线程将初始化InstanceHolder类中的静态属性instance。根据happens-before关系，其他线程将知道InstanceHolder类已被初始化，将结束初始化过程直接访问InstanceHolder。