Volatile的應用DCL單例模式（四）

2020 年 4 月 22 日
筆記
JAVA

Volatile的應用

單例模式DCL代碼

首先回顧一下，單線程下的單例模式代碼

/**
 * 單例模式
 *
 * @author xiaocheng
 * @date 2020/4/22 9:19
 */
public class Singleton {

    private static Singleton singleton = null;

    private Singleton() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t單例構造方法");
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Singleton.getInstance() == Singleton.getInstance());
        System.out.println(Singleton.getInstance() == Singleton.getInstance());
        System.out.println(Singleton.getInstance() == Singleton.getInstance());
        System.out.println(Singleton.getInstance() == Singleton.getInstance());
    }
}

最後輸出的結果

但是在多線程的環境下，我們的單例模式是否還是同一個對象了

/**
 * 單例模式
 *
 * @author xiaocheng
 * @date 2020/4/22 9:19
 */
public class Singleton {

    private static Singleton singleton = null;

    private Singleton() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t單例構造方法");
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                Singleton.getInstance();
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

從下面的結果我們可以看出，我們通過SingletonDemo.getInstance() 獲取到的對象，並不是同一個，而是被下面幾個線程都進行了創建，那麼在多線程環境下，單例模式如何保證呢？

解決方法1

引入synchronized關鍵字

    public synchronized static SingletonDemo getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new SingletonDemo();
        }
        return instance;
    }

輸出結果

我們能夠發現，通過引入Synchronized關鍵字，能夠解決高並發環境下的單例模式問題

但是synchronized屬於重量級的同步機制，它只允許一個線程同時訪問獲取實例的方法，但是為了保證數據一致性，而減低了並發性，因此採用的比較少

解決方法2

通過引入DCL Double Check Lock 雙端檢鎖機制

就是在進來和出去的時候，進行檢測

    public static SingletonDemo getInstance() {
        if(instance == null) {
            // 同步代碼段的時候，進行檢測
            synchronized (SingletonDemo.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new SingletonDemo();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

最後輸出的結果為：

從輸出結果來看，確實能夠保證單例模式的正確性，但是上面的方法還是存在問題的

DCL（雙端檢鎖）機制不一定是線程安全的，原因是有指令重排的存在，加入volatile可以禁止指令重排

原因是在某一個線程執行到第一次檢測的時候，讀取到 instance 不為null，instance的引用對象可能沒有完成實例化。因為 instance = new SingletonDemo()；可以分為以下三步進行完成：

memory = allocate(); // 1、分配對象內存空間
instance(memory); // 2、初始化對象
instance = memory; // 3、設置instance指向剛剛分配的內存地址，此時instance != null

但是我們通過上面的三個步驟，能夠發現，步驟2 和步驟3之間不存在數據依賴關係，而且無論重排前還是重排後，程序的執行結果在單線程中並沒有改變，因此這種重排優化是允許的。

memory = allocate(); // 1、分配對象內存空間
instance = memory; // 3、設置instance指向剛剛分配的內存地址，此時instance != null，但是對象還沒有初始化完成
instance(memory); // 2、初始化對象

這樣就會造成什麼問題呢？

也就是當我們執行到重排後的步驟2，試圖獲取instance的時候，會得到null，因為對象的初始化還沒有完成，而是在重排後的步驟3才完成，因此執行單例模式的代碼時候，就會重新在創建一個instance實例

指令重排只會保證串行語義的執行一致性（單線程），但並不會關係多線程間的語義一致性

所以當一條線程訪問instance不為null時，由於instance實例未必已初始化完成，這就造成了線程安全的問題

所以需要引入volatile，來保證出現指令重排的問題，從而保證單例模式的線程安全性

private static volatile SingletonDemo instance = null;

最終代碼

/**
 * 單例模式
 *
 * @author xiaocheng
 * @date 2020/4/22 9:19
 */
public class Singleton {

    private static volatile Singleton singleton = null;

    private Singleton() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t單例構造方法");
    }

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

    public static void main(String[] args) {
//        System.out.println(Singleton.getInstance() == Singleton.getInstance());
//        System.out.println(Singleton.getInstance() == Singleton.getInstance());
//        System.out.println(Singleton.getInstance() == Singleton.getInstance());
//        System.out.println(Singleton.getInstance() == Singleton.getInstance());
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                Singleton.getInstance();
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

Tags: JAVA