并发编程解决单例模式

一、概述

定义：如果一个类始终只能创建一个实例，那么这个类被称为单例类，这种设计模式被称为单例模式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

1. 单例类只能有一个实例。
2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

关于具体的单例模式，可以参考我写的这篇文章：单例模式

二、懒汉式单例

为了在多线程环境下保护懒汉式，需要加上 synchronized 锁

public final class Singleton {
    private Singleton() { }
    private static Singleton INSTANCE = null;
    public static Singleton getInstance() {
        synchronized(Singleton.class) {
            if (INSTANCE == null) { // t1
                INSTANCE = new Singleton();
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

说明

多线程同时调用getInstance(), 如果不加synchronized锁, 此时两个线程同时判断INSTANCE为空, 此时都会new Singleton(), 此时就不再符合单例模式。所以要加锁,防止多线程操作共享资源造成的安全问题。

同时，上面代码的效率也存在很大问题，当成功创建一个单例对象后，又来一个线程在执行获取锁时，还是会加锁，再次进行判断INSTANCE==null，此时INSTANCE肯定不为null,然后就返回刚才创建的INSTANCE。这样做会严重影响性能。

双重检查锁优化

public final class Singleton {
    private Singleton() { }
    private static Singleton INSTANCE = null;
    public static Singleton getInstance() {
        if(INSTANCE == null) { // t2
            // 首次访问会同步，而之后的使用没有 synchronized
            synchronized(Singleton.class) {
                if (INSTANCE == null) { // t1
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

以上的实现特点是

• 懒惰实例化
• 首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁
• 有隐含的，但很关键的一点：第一个 if 使用了 INSTANCE 变量，是在同步块之外

三、代码存在的问题

但在多线程环境下，上面的代码是有问题的，getInstance 方法对应的字节码为：

0: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
3: ifnonnull 37 // 判断是否为空
// ldc是获得类对象
6: ldc #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
// 复制操作数栈栈顶的值放入栈顶, 将类对象的引用地址复制了一份
8: dup
// 操作数栈栈顶的值弹出，即将对象的引用地址存到局部变量表中
// 将类对象的引用地址存储了一份，是为了将来解锁用
9: astore_0
10: monitorenter
11: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
14: ifnonnull 27
// 新建一个实例
17: new #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
// 复制了一个实例的引用
20: dup
// 通过这个复制的引用调用它的构造方法
21: invokespecial #4 // Method "<init>":()V
// 最开始的这个引用用来进行赋值操作
24: putstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
27: aload_0
28: monitorexit
29: goto 37
32: astore_1
33: aload_0
34: monitorexit
35: aload_1
36: athrow
37: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
40: areturn

其中

• 17 表示创建对象，将对象引用入栈 // new Singleton
• 20 表示复制一份对象引用 // 引用地址
• 21 表示利用一个对象引用，调用构造方法
• 24 表示利用一个对象引用，赋值给 static INSTANCE

也许 jvm 会优化为：先执行 24，再执行 21。

如果两个线程 t1，t2 按如下时间序列执行：

• 关键在于 0: getstatic 这行代码在 monitor 控制之外，可以越过 monitor 读取 INSTANCE 变量的值
• 这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行很多初始化操作，那么 t2 拿到的是将是一个未初始化完毕的单例 对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可，可以禁用指令重排。
• 注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才会真正有效

四、volatile解决方案

public final class Singleton {
    private Singleton() { }
    private static volatile Singleton INSTANCE = null;
    public static Singleton getInstance() {
        // 实例没创建，才会进入内部的 synchronized代码块
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Singleton.class) { // t2
                // 也许有其它线程已经创建实例，所以再判断一次
                if (INSTANCE == null) { // t1
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

字节码上看不出来 volatile 指令的效果

// -------------------------------------> 加入对 INSTANCE 变量的读屏障
0: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
3: ifnonnull 37
6: ldc #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
8: dup
9: astore_0
10: monitorenter -----------------------> 保证原子性、可见性
11: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
14: ifnonnull 27
17: new #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
20: dup
21: invokespecial #4 // Method "<init>":()V
24: putstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
// -------------------------------------> 加入对 INSTANCE 变量的写屏障
27: aload_0
28: monitorexit ------------------------> 保证原子性、可见性
29: goto 37
32: astore_1
33: aload_0
34: monitorexit
35: aload_1
36: athrow
37: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
40: areturn

如上面的注释内容所示，读写 volatile 变量时会加入内存屏障（Memory Barrier（Memory Fence）），保证下面两点：

• 可见性
  • 写屏障（sfence）保证在该屏障之前的 t1 对共享变量的改动，都同步到主存当中
  • 而读屏障（lfence）保证在该屏障之后 t2 对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据
• 有序性
  • 写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
  • 读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前
• 更底层是读写变量时使用 lock 指令来多核 CPU 之间的可见性与有序性

加上volatile之后, 保证了指令的有序性, 不会发生指令重排, 21就不会跑到24之后执行了

• synchronized 既能保证原子性、可见性、有序性，其中有序性是在该共享变量完全被synchronized 所接管（包括共享变量的读写操作），上面的例子中synchronized 外面的 if (INSTANCE == null) 中的INSTANCE读操作没有被synchronized 接管，因此无法保证INSTANCE共享变量的有序性（即不能防止指令重排）。
• 对共享变量加volatile关键字可以保证可见性和有序性，但是不能保证原子性（即不能防止指令交错）。