java多线程学习(十一) 常见的单例模式线程安全性分析
类初始化锁
怎么理解？
为什么需要了解?
常见的单例模式分析
懒汉式
为什么线程不安全
验证
饿汉式
为什么线程安全
双重检查锁定方式
演变由来
为什么线程不安全
如何解决线程不安全
静态类方式
为什么线程安全
结论
类初始化锁
Java语言规范规定，对于每一个类或接口C，都有一个唯一的初始化锁LC与之对应，从C到LC的映射，由JVM的具体实现去自由实现。JVM在初始化期间会获取这个初始化锁，并且每个线程至少获取一次锁来确保这个类被初始化了。
这个过程比较冗长，这里不做过多描述，总之就是JVM通过初始化锁同步了多个线程同时初始化一个对象的操作，保证类不会被多次初始化。
怎么理解？
线程A 、线程B 同时去访问类的属性或者方法，两个线程都会去获取类初始化锁
1. 假设线程A先获取到锁，此时线程B阻塞等待。
2. 线程A获取到锁 -----> 对类初始化(初始化静态属性)，设置state = initialized -----> 释放锁
3. 线程B获取到锁，读取到state = initialized,得知类已经初始化了，释放锁
根据happen-before原则，线程A的释放锁happen-before线程B获取锁，这样线程A对类的初始化，线程B是可见的
结论就是，当类已经被初始化了，其他线程能够可见类的静态属性的值，但是如果一个线程在初始化之后，比如调用类的静态方法(静态方法没有做同步控制)改变类的属性的值，对其他线程不一定可见。
为什么需要了解?
单例模式，实际上都是多个线程通过静态方法访问一个类的静态变量
常见的场景是：
首次调用一个类的静态方法的过程，首先进行的是获取类锁、初始化、释放类锁，在调用类的静态方法。
如果一个类不是被首次访问，当前线程也会去获取类锁，读取到state = initialized 、释放锁，在调用类的静态方法。
静态方法对静态变量的修改线程之间不具有可见性，不是立即可见的。
常见的单例模式分析
懒汉式
public class SingleTon {
private SingleTon() {}
private static SingleTon instance;
public static SingleTon getInstance() {
if(instance==null) {
instance = new SingleTon();
}
return instance;
}
}为什么线程不安全
多个线程访问，类只会被初始化一次，假设存在线程A和线程B调用getInstance方法，调用方法前类已经初始化，此时instance为null，对于两个线程而言，instance都是null。
线程A 执行到 instance ==null时候，向下执行，创建对象
对象的创建分为3步骤
- 给对象分配内存空间
- 对象初始化
- 将引用指向对象的内存空间
对于线程B而言，不会等待线程A对象创建完成，也会创建对象，这样就可能存在创建多个对象的可能性。
验证
为了模拟对象创建耗时的过程，在构造函数里面sleep 一段时间。
package cn.bing.singleton;
import java.util.Date;
/**
* 懒汉式
* @author Administrator
*
*/
public class SingleTon {
private SingleTon() {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private static SingleTon instance;
public static SingleTon getInstance() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" enter : "+System.currentTimeMillis());
if(instance==null) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" contruct : "+System.currentTimeMillis());
instance = new SingleTon();
}
return instance;
}
public static void main(String[] args) {
Runnable run = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(SingleTon.getInstance());
}
};
System.out.println("current time: "+System.currentTimeMillis());
Thread t1 = new Thread(run, "线程A");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(run,"线程B");
t2.start();
}
}
运行结果:
current time: 1541646424662
线程B enter : 1541646424663
线程B contruct : 1541646424663
线程A enter : 1541646424663
线程A contruct : 1541646424663
cn.bing.singleton.SingleTon@24e59eb1
cn.bing.singleton.SingleTon@52826699
饿汉式
为什么线程安全
懒汉式是因为类初始化的时候，没有对实例初始化，出现线程安全问题，那么类初始化的时候就创建对象(上面说过初始化静态属性的过程对于其他线程而言是可见的)，就可以保证对象的一致性了，这就是饿汉式.
/**
* 饿汉式
* @author Administrator
*
*/
public class SingleTonHungry {
private static SingleTonHungry instance = new SingleTonHungry();
private SingleTonHungry() {
}
public static SingleTonHungry getInstance() {
return SingleTonHungry.instance;
}
}双重检查锁定方式
演变由来
懒汉式不安全的原因，静态方法被多个线程同时访问，只要只能一个线程去构建对象，其他线程只能阻塞，等到另一个线程释放锁了，也就是这个对象创建好了，再获取这个对象，便线程安全 了，于是在静态方法上加上类锁synchronize
public class SingleTonLazySynchronize {
private static SingleTonLazySynchronize instance;
private SingleTonLazySynchronize() {}
public static synchronized SingleTonLazySynchronize getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new SingleTonLazySynchronize();
}
return instance;
}
}优点：线程安全
缺点: 一个线程等待另一个线程执行完毕，在多线程环境下，效率很低
那么，是否只要控制对象的创建在同步代码块中的话，是不是就行了呢?
为什么线程不安全
package cn.bing.singleton;
/**
* 双重检查锁定延迟加载
* @author Administrator
*
*/
public class SingleTonDoubleLock {
private static volatile SingleTonDoubleLock instance;
private SingleTonDoubleLock() {}
public static SingleTonDoubleLock getInstance() {
if(instance==null) {//1
synchronized (SingleTonDoubleLock.class) {//2
if(instance==null)
instance = new SingleTonDoubleLock();
}
}
return instance;
}
}
假设线程A和线程B调用getInstance方法，线程A获取到类锁，进入2，创建对象
对象的创建分为3步骤
- 给对象分配内存空间
- 对象初始化
- 将引用指向对象的内存空间
jvm可能对上面的指定进行重排序，可能是1,3,2的顺序
此时，线程B执行到1，看到instance的地址不为空(由于重排序，可能对象还没有初始化)，直接就返回了地址，但是此时对象还没有被初始化。
如何解决线程不安全
第一种方式，jvm禁止重排序
禁止对象创建过程中2,3的重排序，只要将instance申明为volatile类型.
package cn.bing.singleton;
/**
* 双重检查锁定延迟加载
* @author Administrator
*
*/
public class SingleTonDoubleLock {
private static volatile SingleTonDoubleLock instance;
private SingleTonDoubleLock() {}
public static SingleTonDoubleLock getInstance() {
if(instance==null) {//1
synchronized (SingleTonDoubleLock.class) {//2
instance = new SingleTonDoubleLock();
}
}
return instance;
}
}
第二种方式，只要另一个线程看不到重排序(静态类解决方案)
静态类方式
package cn.bing.singleton;
public class SingleTonStaticClass {
private SingleTonStaticClass() {}
static class InstanceHolder{
private static SingleTonStaticClass instance = new SingleTonStaticClass();
}
public static SingleTonStaticClass getInstance() {
return InstanceHolder.instance;
}
}
为什么线程安全
假设存在两个线程A，B ，此时SingleTonStaticClass没有初始化
1. 线程A先获取到外部类的初始化锁，线程B只能等待。
2. 线程A执行类的初始化完毕，将state设置为initialized,释放外部类的锁，调用getInstance方法,获取内部类的锁
3. 线程B获取到外部类的锁，尝试调用getInstance方法，因为没有获取到内部类的锁，只能等待
4. 线程A完成内部类的初始化，释放内部类的锁，线程B拿到内部类的锁，因为内部类已经初始化了，不会继续初始化，直接释放锁。
这个过程中，线程B是看不到线程A对内部类的对象的重排序的。
根据happen-before原则， 线程A对内部类的静态属性初始化后的的值对线程B是可见的。
线程A，B在这个过程中是获取两次初始化锁，后续线程C调用getInstance只会获取一次外部类锁，读取到外部类state=initialized，释放锁。
-- 来自方腾飞《JAVA并发编程的艺术》
个人感觉和线程A、线程B一样还是要获取两次类锁
结论
考虑到延迟加载，线程安全的单例模式，选择基于volatile的双重检查方式或者基于静态类的方式创建。
参考：方腾飞《JAVA并发编程的艺术》