详细的java单例模式线程安全问题详解
发布日期:2022-02-01 14:28:21 浏览次数:43 分类:技术文章

本文共 7341 字,大约阅读时间需要 24 分钟。

关于单例模式的文章,其实网上早就已经泛滥了。但一个小小的单例,里面却是有着许多的变化。网上的文章大多也是提到了其中的一个或几个点,很少有比较全面且脉络清晰的文章,于是,我便萌生了写这篇文章的念头。企图把这个单例说透,说深入。但愿我不会做的太差。

首先来看一个典型的实现:

/** * 基础的单例模式,Lazy模式,非线程安全 * 优点:lazy,初次使用时实例化单例,避免资源浪费 * 缺点:1、lazy,如果实例初始化非常耗时,初始使用时,可能造成性能问题 * 2、非线程安全。多线程下可能会有多个实例被初始化。 *  * @author laichendong * @since 2011-12-5 */public class SingletonOne {        /** 单例实例变量 */    private static SingletonOne instance = null;      /**     * 私有化的构造方法,保证外部的类不能通过构造器来实例化。17*/    private SingletonOne() {           }        /**     * 获取单例对象实例     *      * @return 单例对象26*/    public static SingletonOne getInstance() {        if (instance == null) { // 1            instance = new SingletonOne(); // 2        }        return instance;    }    }

注释中已经有简单的分析了。接下来分析一下关于“非线程安全”的部分。

1、当线程A进入到第24行(#1)时,检查instance是否为空,此时是空的。
2、此时,线程B也进入到24行(#1)。切换到线程B执行。同样检查instance为空,于是往下执行25行(#2),创建了一个实例。接着返回了。
3、在切换回线程A,由于之前检查到instance为空。所以也会执行25行(#2)创建实例。返回。
4、至此,已经有两个实例被创建了,这不是我们所希望的。

怎么解决线程安全问题?

方法一:同步方法。即在getInstance()方法上加上synchronized关键字。

这时单例变成了

/** 2  * copyright © sf-express Inc 3  */ 4 package com.something.singleton; 5  6 /** 7  * 同步方法 的单例模式,Lazy模式,线程安全 8  * 优点: 9  * 1、lazy,初次使用时实例化单例,避免资源浪费10  * 2、线程安全11  * 缺点:12  * 1、lazy,如果实例初始化非常耗时,初始使用时,可能造成性能问题13  * 2、每次调用getInstance()都要获得同步锁,性能消耗。14  * 15  * @author laichendong16  * @since 2011-12-517  */18 public class SingletonTwo {19     20     /** 单例实例变量 */21     private static SingletonTwo instance = null;22     23     /**24      * 私有化的构造方法,保证外部的类不能通过构造器来实例化。25 */26     private SingletonTwo() {27         28     }29     30     /**31      * 获取单例对象实例32      * 同步方法,实现线程互斥访问,保证线程安全。33      * 34      * @return 单例对象35 */36     public static synchronized SingletonTwo getInstance() {37         if (instance == null) { // 138             instance = new SingletonTwo(); // 239         }40         return instance;41     }42     43 }

加上synchronized后确实实现了线程的互斥访问getInstance()方法。从而保证了线程安全。但是这样就完美了么?我们看。其实在典型实现里,会导致问题的只是当instance还没有被实例化的时候,多个线程访问#1的代码才会导致问题。而当instance已经实例化完成后。每次调用getInstance(),其实都是直接返回的。即使是多个线程访问,也不会出问题。但给方法加上synchronized后。所有getInstance()的调用都要同步了。其实我们只是在第一次调用的时候要同步。而同步需要消耗性能。这就是问题。

方法二:双重检查加锁Double-checked locking。

其实经过分析发现,我们只要保证 instance = new SingletonOne(); 是线程互斥访问的就可以保证线程安全了。那把同步方法加以改造,只用synchronized块包裹这一句。就得到了下面的代码:

public static SingletonThree getInstance() {2         if (instance == null) { // 13             synchronized (SingletonThree.class) {4                 instance = new SingletonThree(); // 25             }6         }7         return instance;8     }

这个方法可行么?分析一下发现是不行的!

  1、线程A和线程B同时进入//1的位置。这时instance是为空的。
  2、线程A进入synchronized块,创建实例,线程B等待。
  3、线程A返回,线程B继续进入synchronized块,创建实例。。。
  4、这时已经有两个实例创建了。

为了解决这个问题。我们需要在//2的之前,再加上一次检查instance是否被实例化。(双重检查加锁)接下来,代码变成了这样:

public static SingletonThree getInstance() { 2         if (instance == null) { // 1 3             synchronized (SingletonThree.class) { 4                 if (instance == null) {  5                     instance = new SingletonThree(); // 2 6                 } 7             } 8         } 9         return instance;10     }

这样,当线程A返回,线程B进入synchronized块后,会先检查一下instance实例是否被创建,这时实例已经被线程A创建过了。所以线程B不会再创建实例,而是直接返回。貌似!到此为止,这个问题已经被我们完美的解决了。遗憾的是,事实完全不是这样!这个方法在单核和 多核的cpu下都不能保证很好的工作。导致这个方法失败的原因是当前java平台的内存模型。java平台内存模型中有一个叫“无序写”(out-of-order writes)的机制。正是这个机制导致了双重检查加锁方法的失效。这个问题的关键在上面代码上的第5行:instance = new SingletonThree(); 这行其实做了两个事情:1、调用构造方法,创建了一个实例。2、把这个实例赋值给instance这个实例变量。可问题就是,这两步jvm是不保证顺序的。也就是说。可能在调用构造方法之前,instance已经被设置为非空了。下面我们看一下出问题的过程:

  1、线程A进入getInstance()方法。
  2、因为此时instance为空,所以线程A进入synchronized块。
  3、线程A执行instance = new SingletonThree(); 把实例变量instance设置成了非空。(注意,实在调用构造方法之前。)
  4、线程A退出,线程B进入。
  5、线程B检查instance是否为空,此时不为空(第三步的时候被线程A设置成了非空)。线程B返回instance的引用。(问题出现了,这时instance的引用并不是SingletonThree的实例,因为没有调用构造方法。)
  6、线程B退出,线程A进入。
  7、线程A继续调用构造方法,完成instance的初始化,再返回。

好吧,继续努力,解决由“指令重排带来的问题。

public static SingletonThree getInstance() { 2         if (instance == null) {  3             synchronized (SingletonThree.class) {           // 1 4                 SingletonThree temp = instance;             // 2 5                 if (temp == null) { 6                     synchronized (SingletonThree.class) {   // 3 7                         temp = new SingletonThree();        // 4 8                     } 9                     instance = temp;                        // 510                 }11             }12         }13         return instance;14     }

解释一下执行步骤。

  1、线程A进入getInstance()方法。
  2、因为instance是空的 ,所以线程A进入位置//1的第一个synchronized块。
  3、线程A执行位置//2的代码,把instance赋值给本地变量temp。instance为空,所以temp也为空。
  4、因为temp为空,所以线程A进入位置//3的第二个synchronized块。
  5、线程A执行位置//4的代码,把temp设置成非空,但还没有调用构造方法!(“无序写”问题)
  6、线程A阻塞,线程B进入getInstance()方法。
  7、因为instance为空,所以线程B试图进入第一个synchronized块。但由于线程A已经在里面了。所以无法进入。线程B阻塞。
  8、线程A激活,继续执行位置//4的代码。调用构造方法。生成实例。
  9、将temp的实例引用赋值给instance。退出两个synchronized块。返回实例。
  10、线程B激活,进入第一个synchronized块。
  11、线程B执行位置//2的代码,把instance实例赋值给temp本地变量。
  12、线程B判断本地变量temp不为空,所以跳过if块。返回instance实例。

这里虽然是转载,但是解决无序写问题博主还有另外一个简单一点的方法

== 即在初始化instance时候加上volatile关键字,这个关键字可以防止指令重排 ==

volatile作用:

保存内存可见性
内存可见性(Memory Visibility):所有线程都能看到共享内存的最新状态。
防止指令重排
至于为什么会防止指令重排,在这里就不多说了,大家感兴趣的话可以去百度查一下。

代码如下:

public class SingleTon {    private static volatile SingleTon INSTENCE;//加volatile关键字之后既不会在出现    private SingleTon(){    }    public static  SingleTon getINSTENCE(){        if (INSTENCE==null) {//加了判断条件后只有第一次实例化时候才会判断一下锁对象  实例化之后便不会在为空 直接返回            synchronized (SingleTon.class) {//加同步代码块之后不会出现多个实例问题但是每次次都要判断同步锁,浪费性能                if(INSTENCE==null){                    INSTENCE=new SingleTon();                }            }        }        return INSTENCE;    }}

好吧,问题终于解决了,线程安全了。但是我们的代码由最初的3行代码变成了现在的一大坨~。于是又有了下面的方法。

方法三:预先初始化static变量。(即饿汉式)

/** 2  * 预先初始化static变量 的单例模式  非Lazy  线程安全 3  * 优点: 4  * 1、线程安全  5  * 缺点: 6  * 1、非懒加载,如果构造的单例很大,构造完又迟迟不使用,会导致资源浪费。 7  *  8  * @author laichendong 9  * @since 2011-12-510  */11 public class SingletonFour {12     13     /** 单例变量 ,static的,在类加载时进行初始化一次,保证线程安全 */14     private static SingletonFour instance = new SingletonFour();15     16     /**17      * 私有化的构造方法,保证外部的类不能通过构造器来实例化。18      */19     private SingletonFour() {20         21     }22     23     /**24      * 获取单例对象实例25      * 26      * @return 单例对象27      */28     public static SingletonFour getInstance() {29         return instance;30     }31     32 }

看到这个方法,世界又变得清净了。由于java的机制,static的成员变量只在类加载的时候初始化一次,且类加载是线程安全的。所以这个方法实现的单例是线程安全的。但是这个方法却牺牲了Lazy的特性。单例类加载的时候就实例化了。如注释所述:非懒加载,如果构造的单例很大,构造完又迟迟不使用,会导致资源浪费。

那到底有没有完美的办法?懒加载,线程安全,代码简单。

方法四:使用内部类。

/** 2  * 基于内部类的单例模式  Lazy  线程安全 3  * 优点: 4  * 1、线程安全 5  * 2、lazy 6  * 缺点: 7  * 1、待发现11  */12 public class SingletonFive {13     14     /**15      * 内部类,用于实现lzay机制16 */17     private static class SingletonHolder{18         /** 单例变量  */19         private static SingletonFive instance = new SingletonFive();20     }21     22     /**23      * 私有化的构造方法,保证外部的类不能通过构造器来实例化。24 */25     private SingletonFive() {   27     }    29     /**30      * 获取单例对象实例31      * 32      * @return 单例对象33 */34     public static SingletonFive getInstance() {35         return SingletonHolder.instance;36     }37     38 }

解释一下,因为java机制规定,内部类SingletonHolder只有在getInstance()方法第一次调用的时候才会被加载(实现了lazy),而且其加载过程是线程安全的(实现线程安全)。内部类加载的时候实例化一次instance。

最后,总结一下:

  1、如果单例对象不大,允许非懒加载,可以使用方法三。
  2、如果需要懒加载,且允许一部分性能损耗,可以使用方法一。(官方说目前高版本的synchronized已经比较快了)
  3、如果需要懒加载,且不怕麻烦,可以使用方法二。
  4、如果需要懒加载,没有且!推荐使用方法四。

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路过,博主的博客真漂亮。。
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