DCL單例模式中的缺陷及單例模式的其他實現

  • 2020 年 11 月 9 日
  • 筆記

　　DCL：Double Check Lock ，意為雙重檢查鎖。在單例模式中懶漢式中可以使用DCL來保證程式執行的效率。

 1 public class SingletonDemo {
 2     private static SingletonDemo singletonDemo = null;
 3     private SingletonDemo(){
 4     }
 5 
 6     public SingletonDemo getSingletonDemo(){
 7         if(singletonDemo == null){
 8             synchronized (SingletonDemo.class){
 9                 if(singletonDemo == null){
10                     singletonDemo = new SingletonDemo();
11                 }
12             }
13         }
14         return singletonDemo;
15     }
16 }

上面是傳統的DCL單例模式一種實現，第一個非空判斷是為了避免實例屬性已經實例化賦值後，後面的執行緒依然進入 synchronized 修飾的程式碼塊，進行加鎖、解鎖，造成效率低下；第二個非空判斷是為了避免實例屬性已經賦值後，等待隊列中的執行緒重複執行對象創建與賦值。而DCL可以保證多執行緒下只會進行一次對象初始化。但是這樣的程式碼還是會有缺陷。

 

缺陷

指令集

　　讓我們單獨寫一個對象創建方法，看一下這個操作對應的指令集是什麼

public void aa(){
        singletonDemo = new SingletonDemo();
    }

　　 先對這個類進行編譯，然後使用idea 的 jclasslib插件對這個類進行查看，指令集如下：

　　

 指令分別是 new 、dup、invokespecial、putstatic，最後return返回，這裡dup是複製操作，也就是對棧頂的元素複製一份，這裡可以忽略不看。所以關鍵的指令是三個，1、new（實例化，對對象進行聲明，分配地址），2、invokespecial（初始化，調用構造方法，進行屬性賦值），3、putstatic（將這個對象賦值給屬性singletonDemo)。

 

指令重排

　　單執行緒下存在著指令重排，什麼是指令重排，比如說程式碼 x=1; y=1; x++; y++; y=x+y; JVM在載入時可能先載入到 y，那麼它不會再去等待x載入，直接去執行 y++  ，這樣就提高了運算效率，這種程式碼沖排序就是指令重排。但同時指令重排也不是隨意的重排，它會遵守數據依賴性，比如雖然先載入了y，執行了 y++ ,也載入了 x，但是並不會接著去執行 y=x+y;因為右邊操作的y 在前面的 y++修改了值，所以產生了對y++數據依賴，JVM並不會允許這樣的指令重排（其實這個例子里的x++,y++指令會劃分為三步，這裡只需要知道表達的意思就可以了）。但是在多執行緒下數據依賴性就不能保證執行緒安全問題了。

 

　　回到前面的對象創建的指令集，2和3因為不存在數據依賴所以可能發生指令重排，所以在多執行緒下，可能執行緒1在執行new指令後直接執行指令3，執行緒2就執行到第7行第一個非空判斷了，此時因為對象地址分配了，所以判斷是非空，直接return，但是此時還沒有執行初始化指令，所以該對象只是分配了空間還沒有創建完對象，導致這個方法還是返回了一個null值（這個null值表示的是該位置的對象實際是獲取不到的但是判斷是非空的）。

 

解決

　　volatile 關鍵字可以禁止指令重排和保證可見性，但是由於不能保證原子性，所以在這裡還是需要配合 synchronized 來使用。關於volatile在多執行緒基礎裡面說到了，所以這裡最終的程式碼是:

 1 public class SingletonDemo {
 2     private volatile static SingletonDemo singletonDemo = null;
 3     private SingletonDemo(){
 4     }
 5 
 6     public SingletonDemo getSingletonDemo(){
 7         if(singletonDemo == null){
 8             synchronized (SingletonDemo.class){
 9                 if(singletonDemo == null){
10                     singletonDemo = new SingletonDemo();
11                 }
12             }
13         }
14         return singletonDemo;
15     }
16 }

　　

補充

　　單例模式的其他實現：

餓漢式

　　由於餓漢式是類載入時就會將對象實例創建賦值完成，所以在多執行緒下也是安全的，所以它的優點是不存在執行緒安全問題，缺點是沒有延遲載入的優勢，比如這個單例模式對象是一開始就載入好的，但是整個程式執行過程中過了很久才用上，那麼從類被載入時就創建在堆中，一直到被用上，在堆中是一直佔用空間的，如果存在多個餓漢式的單例類，就無形提高了GC發生的次數。降低程式的性能。

1、直接實例化餓漢式

public class Singleton1 {
    private static final Singleton1 INSTANCE=new Singleton1();
    
    private Singleton1() {
    }
    public static Singleton1 getSingleton() {
        return INSTANCE;
    }
}

特點：簡單直接　　 

 

2、枚舉式餓漢式

public enum Singleton12 {
    INSTANCE;
    public void aa() {            //要調用的方法
    }
}

特點：最簡潔

 

3、靜態程式碼塊餓漢式

public class Singleton13 {
    private static final Singleton13 INSTANCE;
    static {
        INSTANCE=new Singleton13();
    }
    public static Singleton13 getSingleton() {
        return INSTANCE;
    }
}

特點：可以在類初始化時增加其他操作

 

懶漢式

　　懶漢式單例模式就是直到調用方法去獲取對象時才會創建對象，會有執行緒安全問題，所以更為複雜，但是因為是延遲載入，所以會有延遲載入的優勢。

1、DCL懶漢式

　　程式碼如上。

 

2、靜態內部類懶漢式

public class Singleton22 {
    private Singleton22() {
        
    }
    
    private static class Inner{
        private static final Singleton22 INSTANCE=new Singleton22();
    }
    
    public static Singleton22 getInstance() {
        return Inner.INSTANCE;
    }
}

相比於DCL懶漢式更加簡單，同時也沒有加鎖解鎖操作，更加高效。

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