Java Volatile应用单例模式实现过程解析

单例模式

回顾一下，单线程下的单例模式代码

饿汉式

• 构造器私有化
• 自行创建，并且用静态变量保存static
• 向外提供这个实例 public
• 强调这是一个单例，用final

public class sington(){
  public final static INSTANCE = new singleton();
  private singleton(){}
}

第二种：jdk1.5之后用枚举类型

枚举类型：表示该类型的对象是有限的几个

我们可以限定为1个，就称了单例

public enum Singleto{
  INSTANCE
}

第三种静态代码块

public class Singleton{
public final static INSTANCE;
static{
  INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton(){}

}

懒汉式构造器私有化

用一个静态变量保存这个唯一实例

提供一个静态方法，获取这个实例

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

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());
  }
}

最后输出结果：

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

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？

解决方法一

引入synchronized关键字

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

输出结果：

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

解决方法二

通过引入DCL Double Check Lock双端检锁机制

  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：

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

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();
    }
  }
}

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持脚本之家。