单例模式与线程安全问题浅析

Posted 2020-09-24 lytwajue

           近期看到到Struts1与Struts2的比較。说Struts1的控制器是单例的，线程不安全的；Struts2的多例的，不存在线程不安全的问题。之后又想到了之前自己用过的HttpHandler。。。

这些类。好像单例的线程安全问题确实是随处可见的。

可是仅仅是知道这个是不安全的，也没有认真分析过。接下来就细致分析下。

一，改动单例模式代码

      首先我先写一段单例类的代码：

        

/**
 * @ClassName: Sigleton
 * @Description: 单例类
 * @author 水田
 * @date 2015年12月19日 上午10:12:55
 */
public class Sigleton {
    private static Sigleton sigleton;
    private Sigleton() {
	// put the initMethod for this class
    };
    public static Sigleton getInstance() {
	// in this demo ,we use "Lazy-load Singleton"
	if (sigleton == null) {
	    sigleton = new Sigleton();
	}
	return sigleton;
    }
}

   这里我使用的是延迟载入，不管是使用延迟载入还是以下的饿汉式：

public class Sigleton {
    private static final Sigleton sigleton=new Sigleton();
    private Sigleton() {
	// put the initMethod for this class
    };
    public static Sigleton getInstance() {
	return sigleton;
    }
}

       这两种情况使用哪一种。要依据实际情况来推断：究竟我是要在此类还没有使用之前进行初始化。还是要在用到它去拿它的时候才初始化。还要看你的实际应用场景。比方说，我这个类超级大，这时候，你部署好了之后。就把它New了。然后放在内存中，十年八年的没人用。这不是浪费么？（情况举的比較极端，就是这个意思吧。只是你要是硬要跟我说。内存啥的越来越不值钱。或者爷有的是钱买内存。我也没办法！

仅仅能送你句，怪不得你没有女朋友！

）

      细致分析这两种方法，然后看看哪里存在线程不安全的因素。

      先来瞅瞅第一种，lazy-load方式：

      在调用getInstance的时候。先推断，是不是已经被New过了。假设没，那么我new,完了之后返回。想象下，多线程。当在一个线程内。运行到if (sigleton == null),还有一个线程内，好巧啊。也运行到这里。

然后两个线程同一时候推断发现还没这个东西，然后各自new一个。

破坏了我的单实例的原则。

     相比另外一种直接new的方式。这样的方法显然是不安全的。可是，假设我要用到这样的lazy-load方式，就要对它进行改进了。

   

     简单改进：

       

  public static synchronized Sigleton getInstance()

     加个keyword。

     可是这样的方法还是不好，产生问题的仅仅有sigleton = new Sigleton();如今我锁定了整个方法。有点儿多余了。再改下：

  

 public final Sigleton getInstance() {
	// in this demo ,we use "Lazy-load Singleton"
	if (sigleton == null) {
	    synchronized (this) {
		sigleton = new Sigleton();
	    }
	}
	return sigleton;
    }

      然后改完了之后。我们再从逻辑上看下是不是有漏洞：

      还是刚才的问题。俩线程，同一时候运行到if判空的时候，第一个线程由于调度原因，进入同步方法，运行了new操作，第二个线程判空完了之后，进不去，还等在同步方法外面。第一个线程出了同步方法，第二个线程进入了同步方法，又new了一个对象。。

。

。貌似确实有逻辑楼栋，再改下：

  

 public final Sigleton getInstance() {
	// in this demo ,we use "Lazy-load Singleton"
	if (sigleton == null) {
	    synchronized (this) {
		if (sigleton == null){
		sigleton = new Sigleton();
		}
	    }
	}
	return sigleton;
    }

    当第二个线程进入同步方法之后，要不要新new一个对象，还要推断下。

二，After双重检查

    上面的写法一方面实现了Lazy-Load，还有一个方面也做到了并发度非常好的线程安全，一切看上非常完美。

 
    可是二次检查自身会存在比較隐蔽的问题，查了Peter Haggar在DeveloperWorks上的一篇文章，对二次检查的解释非常的具体： 

          “双重检查锁定背后的理论是完美的。不幸地是，现实全然不同。

双重检查锁定的问题是：并不能保证它会在单处理器或多处理器计算机上顺利运行。双重检查锁定失败的问题并不归咎于 JVM 中的实现 bug，而是归咎于 Java 平台内存模型。内存模型同意所谓的“无序写入”。这也是这些习语失败的一个主要原因。” 

    使用二次检查的方法也不是全然安全的，原因是 java 平台内存模型中同意所谓的“无序写入”会导致二次检查失败，所以使用二次检查的想法也行不通了。 

    Peter Haggar在最后提出这样的观点：“不管以何种形式。都不应使用双重检查锁定，由于您不能保证它在不论什么 JVM 实现上都能顺利运行。” 

    问题在哪里？ 

    假设线程A运行到了推断对象为空，于是线程A运行去初始化这个对象，但初始化是须要耗费时间的，可是这个对象的地址事实上已经存在了。

此时线程B也运行到了推断不为空。于是直接跳到后面去得到了这个对象。可是，这个对象还没有被完整的初始化。得到一个没有初始化全然的对象有什么用。！ 

    关于这个Double-Checked Lock的讨论有非常多。眼下公认这是一个Anti-Pattern，不推荐使用！ 

                                                                                                                                           （from 网友）

三。怎样安全+单例使用

         首先说明下。饿汉模式是线程安全的。可是在某些情况下。比方，我们不得不使用lazy-load方式，能够考虑以下方法：

         1。使用volatilekeyword

  private volatile static Sigleton sigleton;

             

        有些人觉得使用 volatile 的原因是可见性。也就是能够保证线程在本地不会存有instance 的副本，每次都是去主内存中读取。

但事实上是不正确的。使用 volatile 的主要原因是其还有一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说。在volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上）。读操作不会被重排序到内存屏障之前。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。

 

         可是特别注意在 Java 5 曾经的版本号使用了volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 曾经的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile也不能全然避免重排序。主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5中才得以修复，所以在这之后才干够放心使用 volatile。

   2，Initialization on Demand Holder

           

public class Sigleton {
    private static class SigletonHolder {
	private static final Sigleton INSTANCE = new Sigleton();
    }

    private Sigleton() {
    };

    public static final Sigleton getInstance() {
	return SigletonHolder.INSTANCE;
    }
}

    

      在使用sigleton时候。SigletonHolder会被初始化。可是里面的INSTANCE却不会，仅仅有当我们调用getInstance方法的时候。才会去new。

既没有高大上的keyword，逻辑上也好理解。

    细致分析。感觉还是蛮多问题的~