DCL之單例模式

• 2021 年 2 月 28 日
• 筆記

所謂的DCL 就是 Double Check Lock,即雙重鎖定檢查，在了解DCL在單例模式中如何應用之前，我們先了解一下單例模式。單例模式通常分為「餓漢」和「懶漢」，先從簡單入手

餓漢

所謂的「餓漢」是因為程式剛啟動時就創建了實例，通俗點說就是剛上菜，大家還沒有開始吃的時候就先自己吃一口。

public class Singleton {
    private static final Singleton singleton = new Singleton();
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return singleton;
    }
}

第3行 通過一個私有構造方法限制了創建此類對象的途徑（反射忽略）。這種方法很安全，但從某種程度上有點浪費資源，比方說從一開始就創建了Singleton實例，但很少去用它，這就造成了方法區資源的浪費，因此出現了另外一種單例模式，即懶漢單例模式

懶漢

之所以叫「懶漢」是因為只有真正叫它的時候，才會出現，不叫它它就不理，跟它沒關係。也就是說真正用到它的時候才去創建實例，並不是一開始就創建實例。如下程式碼所示：

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

看似很簡單的一段程式碼，但存在一個問題，就是執行緒不安全的問題。例如，現在有1000個執行緒，都需要這一個Singleton的實例，驗證一下是否拿到同一個實例，程式碼如下所示：

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        if(null == singleton){
            try {
                Thread.sleep(1);//象徵性的睡了1ms
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0;i<1000;i++){
            new Thread(()-> System.out.println(Singleton.getInstance().hashCode())).start();
        }
    }
}

部分運行結果，亂七八糟：

944436457
1638599176
710946821
67862359

為什麼會這樣？第一個執行緒過來了，執行到第7行，睡了1ms,正在睡的同時第二個執行緒來了，第二個執行緒執行到第5行時，結果肯定為空，因此接下來將會有兩個執行緒各自創建一個對象，這必然會導致Singleton.getInstance().hashCode()結果不一致。可以通過給整個方法加上一把鎖改進如下：

改進1

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(null == singleton){
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0;i<1000;i++){
            new Thread(()-> System.out.println(Singleton.getInstance().hashCode())).start();
        }
    }
}

通過給getInstance()方法加上synchronized來解決執行緒一致性問題，結果分析雖然顯示所有實例的hashcode都一致，但是synchronized的粒度太大了，即鎖的臨界區太大了，有點影響效率，例如如果第4行和第5行之間有業務處理邏輯，不會涉及共享變數，那麼每次對這部分業務邏輯加鎖必然會導致效率低下。為了解決粗粒度的問題，可以對程式碼進一步改進：

改進2

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        /*
        一堆業務處理程式碼
         */
        if(null == singleton){
            synchronized(Singleton.class){//鎖粒度變小
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                singleton = new Singleton();
            }
        }
        return singleton;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0;i<1000;i++){
            new Thread(()-> System.out.println(Singleton.getInstance().hashCode())).start();
        }
    }
}

部分運行結果 ：

391918859
391918859
391918859
1945023194

通過分析運行結果發現，雖然鎖的粒度變小了，但執行緒不安全了。為什麼會這樣呢？因為有種情況，執行緒1執行完if判斷後還沒有拿到鎖的時候時間片用完了，此時執行緒2來了，執行if判斷時發現對象還是空的，繼續往下執行，很順利的拿到鎖了，因此執行緒2創建了一個對象，當執行緒2創建完之後釋放掉鎖，這時執行緒1激活了，順利的拿到鎖，又創建了一個對象。所以程式碼還需要再一步的改進。

改進3

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        /*
        一堆業務處理程式碼
         */
        if(null == singleton){
            synchronized(Singleton.class){//鎖粒度變小
                if(null == singleton){//DCL
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0;i<1000;i++){
            new Thread(()-> System.out.println(Singleton.getInstance().hashCode())).start();
        }
    }
}

通過在第10行又加了一層if判斷，也就是所謂的Double Check Lock。也就是說即便拿到鎖了，也得去作一步判斷，如果這時判斷對像不為空，那麼就不用再創建對象，直接返回就可以了，很好的解決了「改進2」中的問題。但這裡第8行是不是可以去了，我個人覺得都行，保留第8行的話，是為了提升效率，因為如果去了，每個執行緒過來就直接搶鎖，搶鎖本身就會影響效率，而if判斷就幾ns，且大部分執行緒是不需要搶鎖的，所以最好保留。
到這DCL 單例的原理就介紹完了，但是還是有一個問題。就是需要考慮指令重排序的問題，因此得加入volatile來禁止指令重排序。繼續分析程式碼，為了分析方便這裡將Singleton程式碼簡化：

public class Singleton {
    int a = 5;//考慮指令重排序的問題
}

singleton = new Singleton()的位元組碼如下：

  0: new    #2           // class com/reasearch/Singleton
  3: dup
  4: invokespecial #3   // Method com/reasearch/Singleton."<init>":()V
  7: astore_1

先不管dup指令。這裡補充一個知識點，創建對象的時候，先分配空間，類裡面的變數先有一個默認值，等調用了構造方法後才給變數賦值。例如int a = 5剛開始的時候 a = 0。位元組碼指令執行過程如下，

1. new 分配空間，a=0
2. invokespecial 構造方法 a=5
3. astore_1將對象賦給singleton

這是理想的狀態，2和3語義和邏輯上沒有什麼關聯，因此jvm可以允許這些指令亂序執行，即先執行3再執行2 。回到改進3，假如執行緒1再執行第16行程式碼時，指令的執行順序是1，3，2，當執行完3時，時間片用完了，此時a=0，也就是說初始化到一半時就掛起了。這時執行緒2 來了，第8行判斷，singleton肯定不為空，因此直接返回一個Singleton的對象，但其實這個對象是一個問題對象，是一個半初始化的對象，即a=0。這就是指令重排序造成的，因此為了防止這種現象的發生加上關鍵字volatile就可以了。因而，最終DCL之單例模式的程式碼完整版如下：

完整版

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton = null;//加上volatile 
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        /*
        一堆業務處理程式碼
         */
        if(null == singleton){
            synchronized(Singleton.class){//鎖粒度變小
                if(null == singleton){//DCL
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

至此，可以告一段落了，相信很多小夥伴都會寫單例，但是了解其中的原理還是有一定的難度，大家一起加油！