单例模式中的懒汉式以及线程安全性问题

Posted 2020-10-17 凌晨六点半

先看代码：

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton2 {

    private Singleton2(){

    }

    private static Singleton2 instance;

    public static Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null) {//1：读取instance的值
            instance = new Singleton2();//2: 实例化instance
        }
        return instance;
    }

}

package com.roocon.thread.t5;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class MultiThreadMain {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(20);
        for (int i = 0; i< 20; i++) {
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+Singleton2.getInstance());
                }
            });
        }

　　　　　threadPool.shutdown();

} }

运行结果：

pool-1-thread-4:[email protected]
pool-1-thread-14:[email protected]
pool-1-thread-10:[email protected]
pool-1-thread-8:[email protected]
pool-1-thread-5:[email protected]
pool-1-thread-12:[email protected]
pool-1-thread-1:[email protected]
pool-1-thread-9:[email protected]
pool-1-thread-6:[email protected]
pool-1-thread-2:[email protected]
pool-1-thread-16:[email protected]
pool-1-thread-3:[email protected]
pool-1-thread-17:[email protected]
pool-1-thread-13:[email protected]
pool-1-thread-18:[email protected]
pool-1-thread-7:[email protected]
pool-1-thread-20:[email protected]
pool-1-thread-11:[email protected]
pool-1-thread-15:[email protected]
pool-1-thread-19:[email protected]

发现，有个实例是[email protected]，也就说明，返回的不是同一个实例。这就是所谓的线程安全问题。

解释原因：对于以上代码注释部分，如果此时有两个线程，线程A执行到1处，读取了instance为null，然后cpu就被线程B抢去了，此时，线程A还没有对instance进行实例化。

因此，线程B读取instance时仍然为null，于是，它对instance进行实例化了。然后，cpu就被线程A抢去了。此时，线程A由于已经读取了instance的值并且认为它为null，所以，

再次对instance进行实例化。所以，线程A和线程B返回的不是同一个实例。

 

那么，如何解决呢？

1.在方法前面加synchronized修饰。这样肯定不会再有线程安全问题。

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton2 {

    private Singleton2(){

    }

    private static Singleton2 instance;

    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null) {//1
            instance = new Singleton2();//2
        }
        return instance;
    }

}

但是，这种解决方式，假如有100个线程同时执行，那么，每次去执行getInstance方法时都要先获得锁再去执行方法体，如果没有锁，就要等待，耗时长，感觉像是变成了串行处理。因此，尝试其他更好的处理方式。

2. 加同步代码块，减少锁的颗粒大小。我们只对可能出现线程安全的代码进行同步代码块的处理。

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton2 {

    private Singleton2(){

    }

    private static Singleton2 instance;

    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton2.class){
                instance = new Singleton2();
            }
        }
        return instance;
    }

}

但是，这样处理就没有问题了吗？同样的原理，线程A和线程B，线程A读取instance值为null，此时cpu被线程B抢去了，线程B再来判断instance值为null，于是，它开始执行同步代码块中的代码，对instance进行实例化。此时，线程A获得cpu，由于线程A之前已经判断instance值为null，于是开始执行它后面的同步代码块代码。它也会去对instance进行实例化。

这样就导致了还是会创建两个不一样的实例。

那么，如何解决上面的问题。

很简单，在同步代码块中instance实例化之前进行判断，如果instance为null，才对其进行实例化。这样，就能保证instance只会实例化一次了。也就是所谓的双重检查加锁机制。

再次分析上面的场景：

线程A和线程B，线程A读取instance值为null，此时cpu被线程B抢去了，线程B再来判断instance值为null。于是，它开始执行同步代码块代码，对instance进行了实例化。这是线程A获得cpu执行权，当线程A去执行同步代码块中的代码时，它再去判断instance的值，由于线程B执行完后已经将这个共享资源instance实例化了，所以instance不再为null，所以，线程A就不会再次实行实例化代码了。

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton2 {

    private Singleton2(){

    }

    private static Singleton2 instance;

    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton2.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton2();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

但是，双重检查加锁并不代码百分百一定没有线程安全问题了。因为，这里会涉及到一个指令重排序问题。以上代码其实可以总结为下面的步骤：

1.申请一块内存空间；

2.如果instance为null，在这块空间里实例化对象；

3.instance的引用指向这块空间地址；

指令重排序存在的问题是：

对于以上步骤，指令重排序很有可能不是按上面123步骤依次执行的。比如，先执行1申请一块内存空间，然后执行3步骤，instance的引用去指向刚刚申请的内存空间地址，那么，当它再去执行2步骤，判断instance时，由于instance已经指向了某一地址，它就不会再为null了，因此，也就不会实例化对象了。这就是所谓的指令重排序安全问题。那么，如何解决这个问题呢？

加上volatile关键字，因为volatile可以禁止指令重排序。

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton2 {

    private Singleton2(){

    }

    private static volatile Singleton2 instance;

    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton2.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton2();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}