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沐瑶 / LearningNotes

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陌溪 authored 2020-06-17 11:24 . docs:update README.md

Volatile的应用

单例模式DCL代码

首先回顾一下,单线程下的单例模式代码

/**
 * SingletonDemo(单例模式)
 *
 * @author: 陌溪
 * @create: 2020-03-10-16:40
 */
public class SingletonDemo {

    private static SingletonDemo instance = null;

    private SingletonDemo () {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 我是构造方法SingletonDemo");
    }

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

    public static void main(String[] args) {
        // 这里的 == 是比较内存地址
        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
    }
}

最后输出的结果

image-20200310164513408

但是在多线程的环境下,我们的单例模式是否还是同一个对象了

/**
 * SingletonDemo(单例模式)
 *
 * @author: 陌溪
 * @create: 2020-03-10-16:40
 */
public class SingletonDemo {

    private static SingletonDemo instance = null;

    private SingletonDemo () {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 我是构造方法SingletonDemo");
    }

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

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

从下面的结果我们可以看出,我们通过SingletonDemo.getInstance() 获取到的对象,并不是同一个,而是被下面几个线程都进行了创建,那么在多线程环境下,单例模式如何保证呢?

image-20200310164720940

解决方法1

引入synchronized关键字

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

输出结果

image-20200310164946940

我们能够发现,通过引入Synchronized关键字,能够解决高并发环境下的单例模式问题

但是synchronized属于重量级的同步机制,它只允许一个线程同时访问获取实例的方法,但是为了保证数据一致性,而减低了并发性,因此采用的比较少

解决方法2

通过引入DCL Double Check Lock 双端检锁机制

就是在进来和出去的时候,进行检测

    public static SingletonDemo getInstance() {
        if(instance == null) {
            // 同步代码段的时候,进行检测
            synchronized (SingletonDemo.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new SingletonDemo();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

最后输出的结果为:

image-20200310165703190

从输出结果来看,确实能够保证单例模式的正确性,但是上面的方法还是存在问题的

DCL(双端检锁)机制不一定是线程安全的,原因是有指令重排的存在,加入volatile可以禁止指令重排

原因是在某一个线程执行到第一次检测的时候,读取到 instance 不为null,instance的引用对象可能没有完成实例化。因为 instance = new SingletonDemo();可以分为以下三步进行完成:

  • memory = allocate(); // 1、分配对象内存空间
  • instance(memory); // 2、初始化对象
  • instance = memory; // 3、设置instance指向刚刚分配的内存地址,此时instance != null

但是我们通过上面的三个步骤,能够发现,步骤2 和 步骤3之间不存在 数据依赖关系,而且无论重排前 还是重排后,程序的执行结果在单线程中并没有改变,因此这种重排优化是允许的。

  • memory = allocate(); // 1、分配对象内存空间
  • instance = memory; // 3、设置instance指向刚刚分配的内存地址,此时instance != null,但是对象还没有初始化完成
  • instance(memory); // 2、初始化对象

这样就会造成什么问题呢?

也就是当我们执行到重排后的步骤2,试图获取instance的时候,会得到null,因为对象的初始化还没有完成,而是在重排后的步骤3才完成,因此执行单例模式的代码时候,就会重新在创建一个instance实例

指令重排只会保证串行语义的执行一致性(单线程),但并不会关系多线程间的语义一致性

所以当一条线程访问instance不为null时,由于instance实例未必已初始化完成,这就造成了线程安全的问题

所以需要引入volatile,来保证出现指令重排的问题,从而保证单例模式的线程安全性

private static volatile SingletonDemo instance = null;

最终代码

/**
 * SingletonDemo(单例模式)
 *
 * @author: 陌溪
 * @create: 2020-03-10-16:40
 */
public class SingletonDemo {

    private static volatile SingletonDemo instance = null;

    private SingletonDemo () {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 我是构造方法SingletonDemo");
    }

    public static SingletonDemo getInstance() {
        if(instance == null) {
            // a 双重检查加锁多线程情况下会出现某个线程虽然这里已经为空,但是另外一个线程已经执行到d处
            synchronized (SingletonDemo.class) //b
            { 
           //c不加volitale关键字的话有可能会出现尚未完全初始化就获取到的情况。原因是内存模型允许无序写入
                if(instance == null) { 
                	// d 此时才开始初始化
                    instance = new SingletonDemo();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
//        // 这里的 == 是比较内存地址
//        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
//        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
//        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
//        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                SingletonDemo.getInstance();
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

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