设计模式-单例模式-指令重排思考

Posted 2022-12-15 AlaGeek

1、单例模式

之前写过一篇单例模式的博客，有不了解单例模式的可以看看。

2、指令重排

指令重排指的是在程序执行时，为了性能考虑，编译器和CPU可能会对指令进行重新排序，下面举个例子，比如有如下程序：

int a,b;
a = 2;
b = 2;

这个程序在执行的时候，可能执行顺序就会颠倒，变成先执行“b = 2”，再执行“a = 2”，这个就叫指令重排。
指令重排有几个基本原则，不清楚的可以看我引用的博客，这里要说的是顺序执行原则，指令重排保证在单线程内语义的串行性，举个例子：

int a,b;
a = 2;
b = a;

比如上面这个代码，如果顺序颠倒，先执行“b = a”，再执行“a = 2”，那么程序的意思就会发生改变，那么这种指令重排是不被允许的。

3、单例模式与指令重排

说完指令重排，那么说说其和单例的关系。
看到这的小伙伴想必都知道单例的饱汉模式，而饱汉模式有双重校验锁的实现方式，代码如下：

public class Singleton 
	private static Singleton singleton;
	private Singleton()
		System.out.println("生成了一个实例");
	
	public static Singleton getInstance()
		if(singleton==null)
			synchronized(Singleton.class)
				if(singleton==null)
					singleton = new Singleton();
				
			
		
		return singleton;
	

按照我所了解到的，在上述代码中，语句“singleton = new Singleton()”在程序执行时会发生指令重排，这样一个语句，实际上被分成了以下三个步骤：

• 分配对象的内存空间
• 初始化内存空间
• 将对象指向该内存空间

而当指令重排的时候，三个步骤的顺序可能会变成这样：

• 分配对象的内存空间
• 将对象指向该内存空间
• 初始化内存空间

那么问题就来了，假设我们现在有两个线程，A和B，当A执行到上述步骤中的第二步的时候，B执行到了第一个校验语句“if(singleton==null)”，此时对象已经指向了分配的内存空间，所以singleton不为空，那么B线程就会获得一个未经初始化的对象，从而造成程序错误。

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因此需要将singleton声明为volatile类型，以此来禁止指令重排。

4、思考

昨天在写代码的时候，正好写到这个单例模式，突然间想到个问题，单例模式的双重校验锁真的会有指令重排问题吗？

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按照上面的说法，B线程确实有可能会获取到未经初始化的对象，但是B线程拿这个对象做什么呢？我认为对对象的操作无非就是读写，那么就引发了另一个问题，像双重校验锁这样的写法，A线程在加了锁之后，B线程是否还能够对singleton进行操作？

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于是我写了以下测试代码：

public class Main2 
    public static void main(String[] args) 
        Thread1 thread1 = new Thread1();
        thread1.start();
        Thread2 thread2 = new Thread2();
        thread2.start();
    

class Thread1 extends Thread
    @Override
    public void run() 
        Solution solution = new Solution();
        System.out.println("1:" + solution.print());
    

class Thread2 extends Thread
    @Override
    public void run() 
        Solution solution = new Solution();
        System.out.println("2:" + solution.print());
    


class Solution 
    public static Tmp tmp = null;
    public Solution()
        if(tmp == null)
            synchronized (Solution.class)
                if(tmp == null)
                    tmp = new Tmp();
                    try
                        Thread.sleep(3000);
                     catch (Exception e)
                        System.out.println(e.getMessage());
                    
                
            
        
    
    public Tmp print()
        return tmp;
    

@Data
class Tmp
    private String string;
    public Tmp()
        string = "hello";
    

我在加锁的代码里加了个3秒的等待时间，然后启动两个线程去获取tmp对象并输出，在多次测试中，我发现，当A线程在执行下列代码的时候，B线程要输出tmp对象需要等待A线程先执行完，将锁释放：

synchronized (Solution.class)
    if(tmp == null)
        tmp = new Tmp();
        try
            Thread.sleep(3000);
         catch (Exception e)
            System.out.println(e.getMessage());
        
    

为了更加明显的看出这个问题，我对修改了下代码：

public Solution()
    if(tmp == null)
        synchronized (Solution.class)
            if(tmp == null)
                tmp = new Tmp();
                try
                    System.out.println("锁内等待开始");
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("锁内等待结束");
                 catch (Exception e)
                    System.out.println(e.getMessage());
                
            
        
        try
            System.out.println("锁外等待开始");
            Thread.sleep(3000);
            System.out.println("锁外等待结束");
         catch (Exception e)
            System.out.println(e.getMessage());
        
    

emmmm，最后的测试结果推翻了我上面的结论…双重校验锁确实有指令重排问题！

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其实昨天打算写这篇文章的时候，是打着推翻权威的心思的，不过今天写的时候，写着写着就觉得权威果然是权威，写博客还是有点用的，可以让自己理清思路，不愧是我！