单例模式与多线程

Bertha 。 2023-06-13 04:34 162阅读 0赞

一、前言

如何使单例模式遇到多线程是安全的、正确的？

我们在学习设计模式的时候知道单例模式有懒汉式和饿汉式之分。简单来说，饿汉式就是在使用类的时候已经将对象创建完毕，懒汉式就是在真正调用的时候进行实例化操作。

二、饿汉式+多线程

单例：

public class MyObject {
        //饿汉模式
    	
    	private static MyObject myObject=new MyObject();
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	public static MyObject getInstance(){
    		return myObject;
    	}
    }

自定义线程：

public class MyThread extends Thread {
    	@Override
    	public void run(){
    		System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
    	}
    }

main方法：

public class Run {
     
    	public static void main(String[] args) {
    		MyThread t1=new MyThread();
    		MyThread t2=new MyThread();
    		MyThread t3=new MyThread();
    		t1.start();
    		t2.start();
    		t3.start();
     
    	}
     
    }

结果：

![20191113172428223.png][]

hashCode是同一个值，说明对象是同一个。也就是说饿汉式单例模式在多线程环境下是线程安全的。

三、懒汉式+多线程

方案一：

单例：

public class MyObject {
    	private static MyObject myObject;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	public static MyObject getInstance(){
    		try {
    			if (myObject==null) {
    				//模拟在创建对象之前做的一些准备性工作
    				Thread.sleep(3000);
    				myObject=new MyObject();
    			}
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return myObject;
    	}
     
    }

自定义线程：

public class MyThread extends Thread {
      @Override
      public void run(){
    	  System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
      }
    }

main方法：

结果：

![20191113173021549.png][]

3种hashCode，说明创建出了3个对象，并不是单例的。懒汉模式在多线程环境下是“非线程安全”。这是为何？

因为创建实例对象的那部分代码没有加synchronized或Lock。三个线程都进入了创建实例对象的代码段getInstance。

方案二：synchronized同步方法

既然多个线程可以同时进入getInstance()方法，那么只需要对getInstance()方法声明synchronized关键字即可。在MyObject的getInstance()方法前加synchronized关键字。最终打印的三个hashcode是一样一样的。实现了多线程环境下，懒汉模式的正确性、安全性。但是此种方法的运行效率非常低下，因为是同步的，一个线程释放锁之后，下一个线程继续执行。  
方案三：synchronized同步代码块

同步方法是对方法整体加锁，效率不高，我们可以通过减少锁的粒度，也就是使用synchronized同步代码块。如下面代码所示：

public class MyObject {
    	private static MyObject myObject;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	/*synchronized*/
    	public  static MyObject getInstance(){
    		try {
    			synchronized (MyObject.class) {
    				if (myObject==null) {
    					//模拟在创建对象之前做的一些准备性工作
    					Thread.sleep(3000);
    					myObject=new MyObject();
    				}
    			}
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return myObject;
    	}
     
    }

这样做能保证最终运行结果正确，但getInstance方法中的全部代码都是同步的了，这样做会降低运行效率，和对getInstance方法加synchronized的效率几乎一样。

方案四：重要代码同步代码块

public class MyObject {
    	private static MyObject myObject;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	/*synchronized*/
    	public  static MyObject getInstance(){
    		try {
    			
    			if (myObject==null) {
    				//模拟在创建对象之前做的一些准备性工作
    				Thread.sleep(3000);
    				synchronized (MyObject.class) {
    				myObject=new MyObject();
    				}
    			}
    			
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return myObject;
    	}
     
    }

结果：

![20191113173444564.png][]

这种做法在多线程环境下还是无法解决得到同一个实例对象的结果。

方案五：双重锁定

package singleton_3;
     
    public class MyObject {
    	private static MyObject myObject;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	//使用双重锁定(Double-Check Locking)解决问题，既保证了不需要同步代码的异步执行性，
    	//又保证了单例的效果
    	public static MyObject getInstance(){
    		try {
    			if (myObject==null) {
    				//模拟在创建对象之前做一些准备性的工作
    				Thread.sleep(3000);
    				synchronized(MyObject.class){
    					if (myObject==null) {
    						myObject=new MyObject();
    					}
    				}
    				
    			}
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return myObject;
    	}
     
    }

使用双重锁定功能，成功地解决了在多线程环境下“懒汉模式”的“非线程安全”问题。  
      那么为什么外面已经判断myObject实例是否存在，为什么在lock里面还需要做一次myObject实例是否存在的判断呢？

如果myObject已经存在，则直接返回，这没有问题。当Instance为null，并且同时有3个线程调用GetInstance()方法时，它们都可以通过第一重myObject==null的判断，然后由于lock机制，这三个线程只有一个进入，另外2个在外排队等候，必须第一个线程走完同步代码块之后，第二个线程才进入同步代码块，此时判断instance==null，为false，直接返回myObject实例。就不会再创建新的实例啦。第二个监测myObject==null一定要在同步代码块中。  
方案六：

方案五表面上来看，在执行该代码时，先判断instance对象是否为空，为空时再进行初始化对象。即使是在多线程环境下，因为使用了synchronized锁进行代码同步，该方法也仅仅创建一个实例对象。但是，从根本上来说，这样写还是存在一定问题的。  问题源头：

创建对象：1.创建对象时限分配内存空间-----》2.初始化对象-----》3.设置对象指向内存空间-----》4.初次访问对象；

2和3可能存在重排序问题，由于单线程中遵守intra-thread semantics，从而能保证即使2和3交换顺序后其最终结果不变。但是当在多线程情况下，线程B将看到一个还没有被初始化的对象，此时将会出现问题。

解决方案：

1、不允许②和③进行重排序

2、允许②和③进行重排序，但排序之后，不允许其他线程看到。

基于volatile的解决方案

对前面的双重锁实现的延迟初始化方案进行如下修改：

public class MyObject {
    	private volatile static MyObject myObject;
    
    	/* 私有构造函数避免被实例化 */
    	private MyObject() {
    
    	}
    
    	/* synchronized */
    	public static MyObject getInstance() {
    		try {
    
    			if (myObject == null) {
    				// 模拟在创建对象之前做的一些准备性工作
    				Thread.sleep(3000);
    				synchronized (MyObject.class) {
    					if (myObject == null) {
    						myObject = new MyObject(); // 用volatile修饰，不会再出现重排序
    					}
    				}
    			}
    
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return myObject;
    	}
    
    }

使用volatile修饰instance之后，之前的②和③之间的重排序将在多线程环境下被禁止，从而保证了线程安全执行。  
   注意：这个解决方案需要JDK5或更高版本（因为从JDK5开始使用新的JSR-133内存模型规范，这个规范增强了volatile的语义）

基于类初始化的解决方案

JVM在类的初始化阶段（即在Class被加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，JVM会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。基于这个特性，可以实现另一种线程安全的延迟初始化方案。

public class MyObject {
    	private static MyObject myObject;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	//静态内部类方式
    	private static class MyObjectHandler{
    		private static MyObject myObject=new MyObject();
    	}
    	public static MyObject getInstance(){
    		return MyObjectHandler.myObject;
    	}
    }

结果可行。

使用静态代码块实现单例模式

public class MyObject {
    	private static MyObject instance;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	static{
    		instance=new MyObject();
    	}
    	public static MyObject getInstance(){
    		return instance;
    	}
    }

结果可行。 该方案的实质是，允许②和③进行重排序，但不允许非构造线程（此处是B线程）“看到”这个重排序。

四、总结

单例模式分为懒汉式和饿汉式，饿汉式在多线程环境下是线程安全的；懒汉式在多线程环境下 是“非线程安全”的，可以通过synchronized同步方法和“双重检测”机制来保证懒汉式在多线程环境下的线程安全性。静态内部类实现单例模式和静态代码块从广义上说都是饿汉式的。

[20191113172428223.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191113172428223.png
[20191113173021549.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191113173021549.png
[20191113173444564.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191113173444564.png