Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题

单例模式是经典的设计模式之一。什么是设计模式?代码的设计模式类似于棋谱,棋谱就是一些下棋的固定套路,是前人总结出来的一些固定的打法。依照棋谱来下棋,不说能下得非常好,但至少是有迹可循,不会下得很糟糕。代码的设计模式也是一样。

设计模式,就是软件开发中的棋谱。一些编程界的大佬,针对一些常见情景总结出了一些代码的“编写套路”。按照这样的套路来写代码,不说能写得非常好,但也至少不会写得太糟糕。以前有一个大佬写了一本书,名叫《讨论二十三种设计模式》,这本书广为流传,这里的设计模式也就是我们上面说到的。

事实上设计模式远不止“二十三种”。但在校招阶段,主要考察两个设计模式:

  1. 单例模式
  2. 工厂模式

本文主要介绍单例模式

目录

一、什么是单例模式?

二、如何实现单例模式?

1、代码实现:饿汉模式

a.饿汉模式的构造思路

b.总结:饿汉模式代码

2、代码实现:懒汉模式

三、线程安全问题

1、懒汉模式--线程不安全,饿汉模式--线程安全

2、初步解决:懒汉模式的线程安全问题

3、代码问题-1:加锁导致程序效率低——解决:更改加锁的位置

4、代码问题-2:new操作引发指令重排序——解决:以volatile修饰

四、***小结:单例模式的线程安全问题


一、什么是单例模式?

单例指的就是单个实例(instance),也就是单个对象(对象就是类的实例)。单例模式指的是某个类在进程中只有唯一一个实例(在一个程序中,只能创建一个实例(一个对象),不能创建多个对象)。

按理来说,在写代码的时候多 new 几次,就能创建多个对象了。但在语法上,是有办法禁止这样多 new 几次的操作的。 

也就是说,Java中的单例模式,实际上是借助 Java 语法,保证某个类只能够创建出一个实例,而不能被new多次。

为什么会有这样的用途?其实原因是很简单的:在有些场景下,本身它就要求某个概念是单例的。比如每个人只能同时拥有一个配偶。


二、如何实现单例模式?

Java实现单例模式的方式有很多种,这里我们主要介绍两种写法:

  1. 饿汉模式(急迫)
  2. 懒汉模式(从容)

如何理解 饿汉模式 和 懒汉模式 呢?饿汉模式就好比每次吃完饭之后,立刻就把碗给洗了(主打的就是一个急迫);懒汉模式则是每次吃完饭了,先把碗放到一边先不洗,等到吃下一顿了再洗。通常认为,懒汉模式更好,效率更高(非必要不洗碗)。

比如,中午吃饭用了4个碗,那么饿汉模式就得一次性把4个碗都洗了;而晚上吃饭要用2个碗,懒汉模式就只需要洗4个碗当中用不到的2个碗就行了。洗2个碗明显要比洗4个碗效率更高(不考虑没洗的碗会变臭~~只考虑效率)。

在计算机中的例子:打开一个硬盘上的文件,读取文件内容并显示出来。

  • 饿汉:把文件所有内容都读到内存中,并显示。
  • 懒汉:只把文件读一小部分,把当前屏幕填充上。如果用户翻页了,再读其它文件内容;如果不翻页,就省下了。

在这样的情况下,懒汉模式也是完胜饿汉模式的。

假设要读取的文件非常大,有 10G,按照饿汉模式的方式,文件打开可能都要卡半天,更何况还有内存是否足够的问题。

但懒汉模式下就可以很快速地打开,因为它只读取 1 页的内容,1 页也就几百字,可能也就读取 2k 就够了;如果用户还要读其它页的内容,懒汉再从内存里读取相应的内容,用户浏览不到的页面,也就不将它的内容加载到内存中了。

(虽然懒汉模式会增加硬盘的读取次数,但和饿汉模式的情况相比,是不值一提的。)

下面我们来看看如何用代码实现这两种单例模式。

1、代码实现:饿汉模式

a.饿汉模式的构造思路

我们先初步地创建出 Singleton 类,并在里面把对象创建出来:

// 把一个类设置成单例的
class Singleton {
    // 唯一实例的本体
    private static Singleton instance = new Singleton();    // 把对象创建出来

    // 获取到实例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

注意:这里的 instance 属性要用 static 修饰,static变量保存了单例对象的唯一实例。

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第1张图片

同时,将 instance 属性用private封装,并提供一个get方法。这样,我们就可以从外部获取instance了:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 此时 s1 和 s2 是同一个对象
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();

    }
}

显然,此处的 s1 和 s2 获取到的实际是同一个对象。

但是,上述的代码并没有限定再次 new 对象的操作:

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第2张图片

此处的 s3 也显然与 s1 和 s2 不是同一个对象。因此,此处必须把 new 操作给禁止掉。采用的方式是 构造方法私有化。

将构造方法用 private 修饰,可以发现,此时我们上面的 new 操作就报错了,无法通过编译。

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第3张图片

有些同学可能会想到,用反射仍然可以获取到私有方法。一方面,反射本身就是一种非常规的手段,它本身就是不安全的;另一方面,单例模式有一种实现方式,借助枚举,也可以保证反射下的安全,这个在此不过多介绍。

b.总结:饿汉模式代码

class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    private Singleton(){ }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //此时s1和s2是同一个对象
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
    }
}
Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第4张图片 将一个类设置成单例的

通过Java语法来限制类实例的多次创建,从而实现单例模式:

  1. static是用于类级别的数据共享,保存了单例对象的唯一实例,可以在单例模式中用来单例实例的唯一性。
  2. 单例模式中将构造方法私有化,可以避免外部直接创建新的实例。

但饿汉模式的有一个问题,那就是实例的创建时机过早了。只要类一加载,就会创建出这个实例,可要是后面并没有用到这个实例呢?

更好的实现方式是懒汉模式。

2、代码实现:懒汉模式

懒汉模式的核心思想:非必要,不创建。懒汉模式和饿汉模式的代码实现类似,最大的区别是饿汉模式在不使用instance对象时,不把它new出来。

以下代码就是懒汉模式的实现:

class SingletonLazy {
    //先令instance引用为null
    private static SingletonLazy instance = null;

    //获取instance实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }

    //构造方法私有化
    private SingletonLazy() { }
}

 ​​​

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Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第6张图片 s1和s2是同一个实例


三、线程安全问题

1、懒汉模式--线程不安全,饿汉模式--线程安全

在Java多线程编程中,非常重要的一个问题就是线程安全问题。上述提到的两个代码,是线程安全的吗?即,多个线程下调用getInstance()是否会出现问题?

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第7张图片

结论是:饿汉模式是线程安全的,而懒汉模式不是线程安全的。 

比对线程不安全的原因:线程安全问题及解决措施 

  1. 线程的抢占式执行。
  2. 多个线程修改同一变量。
  3. 修改操作不是原子的。
  4. 内存可见性问题。
  5. 指令重排序。

这里,引起懒汉模式线程不安全的最直接原因,是多个线程修改同一变量。

在饿汉模式的getInstance()中,只是单纯地读操作(return),不涉及修改。而懒汉模式的getInstance()中有一个这样的操作:先判定是否为null,再进行修改,再返回。

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第8张图片

很明显,这里包含了修改的操作。上面的懒汉模式代码在多线程下,可能无法保证创建对象的唯一性。如下图情况中,t1和t2都会执行到对象创建的代码,从而创建出多份对象。

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第9张图片

多创建一个对象,听起来似乎问题不大,其实不然。对象是有大有小的,有些对象管理的内存数据可能会很多,甚至可能多达几百G。如果n个线程一起调用,创建出了n个这样大的对象,后果是非常严重的。 

2、初步解决:懒汉模式的线程安全问题

深入来说,引起上述问题的原因是if判定操作修改操作不是原子的。可以通过加锁来解决这个问题。

但是,考虑到多线程代码的复杂性,不是在代码中任意写个加锁,就一定线程安全了。如下面代码所示:将synchronized加在了new对象的操作上,且以类对象作为锁对象。这样的加锁方式是不可行的,因为原代码出现线程不安全原因就是因为if判定操作与new操作不是原子的,而只把锁加载new操作上,并不能保证if判定操作和修改操作整体的原子性。

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第10张图片

因此,应该把if操作也放到锁里,才能保证判定和new是一个原子操作。

    //获取instance实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        synchronized (SingletonLazy.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new SingletonLazy();
            }
        }
        return instance;
    }

当然,也可以直接将锁加在方法上,直接保证整个方法都是原子的。

    //获取instance实例
    synchronized public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }

3、代码问题-1:加锁导致程序效率低——解决:更改加锁的位置

在之前线程安全的篇章中提到过,加锁其实是一种非常低效的方式,因为加锁意味着会出现阻塞等待。事实上,应该“非必要,不加锁”。而我们上述的加锁方式中存在一个问题:不管什么时候调用getInstance(),都会触发锁的竞争。 

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第11张图片

然而其实,此处的线程不安全只发生在首次创建对象这里。一旦对象new好了,后续再调用getInstance(),就是单纯的读操作,就没有线程安全问题了,也就没必要再加锁了。

怎么优化呢?我们就需要针对加锁再做一次判定:

什么时候需要加锁?——对象为空的时候。 

因此,要再加一层if判断,用于判断需要加锁的情况:

    //获取instance实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        // 这个条件用于判断是否要加锁
        // 如果对象已经有了,就不必加锁了,此时本身就是线程安全的
        if(instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

 注意这两个if(instance == null)代码的辨析:

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第12张图片

并且,虽然这俩代码是挨着的,但是实际上它们执行的时机差别会很大。 

按照我们在单线程代码中的理解,如果两行代码紧挨着,那么执行的时候,这两行代码会被迅速执行完,可以近似地看作它们是同一时机被执行。

但是,在多线程且上述两个if判断间隔着一层synchronized加锁的情况下,就不能简单地这样理解了。

加锁就可能导致线程阻塞,而等到线程阻塞被接触时,可能早已是“沧海桑田”。换句话说,这两行代码虽然看起来是相邻的,但它们执行的时间间隔可能会非常长。虽然两个条件代码完全相同,但若调用的时间间隔长了,判断结果也可能会不同。

比如在一个线程执行时,刚开始instance为null,第一个if判定成立,进入外层if;接下来获取锁时却发现,锁已经被别的线程获取了,那么这个线程此时就只能阻塞等待;等到这个线程结束阻塞、再往下走的时候,instance却已经被别的线程创建好了,不再为null,那么第二个条件判定就不成立了;该线程不会进入第二层if,也就不会重复再new一个对象了。

4、代码问题-2:new操作引发指令重排序——解决:以volatile修饰

在之前线程安全的篇章中提到过,指令重排序也可能导致线程不安全。new操作包括3个步骤:1、创建内存;2、调用构造方法;3、把地址赋值给引用。这其中就可能存在指令重排序:步骤2和步骤3的顺序可以调换。

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第13张图片

如果程序按照 1-3-2 的方式执行new操作,就可能出现问题:

若instance为null,当t1线程执行完1和3这两个步骤后,线程突然被调度到t2;t2再去判定条件,但由于在t1中instance已经获取了内存地址,因此instance非null,条件不成立,会直接返回实例的引用。此时,t2拿到的是一个没装修过的毛坯房。

如果接下来t2继续毛坯房的后续方法,可能都是将错就错了。

Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题_第14张图片

总而言之,这样的线程调度时机,可能导致t2拿到的实例是不完整的,从而就出现问题了。虽然这个过程是一个极端小概率的情况,但在服务器高并发、大数据的情况下,一旦出问题,后果仍然是非常严重的。

如何解决这个问题?很简单,将instance加上volatile即可。volatile可以禁止指令重排序。

    //加上volatile
    volatile private static SingletonLazy instance = null;

    //获取instance实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        // 这个条件用于判断是否要加锁
        // 如果对象已经有了,就不必加锁了,此时本身就是线程安全的
        if(instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

补充:这里是否涉及到内存可见性问题是存疑的。内存可见性问题的发生是由于编译器优化掉了寄存器从内存中load的这一操作,从而使得每一次读取数据的时并没有真正从内存中读取,而是只从寄存器中读取。在一个线程频繁写,一个线程频繁读的情况下,可能会出现内存可见性的问题。但是,上述代码是否涉及“频繁读”?假设N个线程一起调用,是否就相当于读了N次,这样不就会触发编译器的优化操作?

这其实是不一定的。因为每一个线程,会有自己的一套寄存器,这其中是否会出现内存安全性问题,是很难确定的。


四、***小结:单例模式的线程安全问题

  • 饿汉模式:天然就是安全的,只是读操作。
  • 懒汉模式:不安全的有读操作,也有写操作。如何保证懒汉模式的线程安全问题:
    1. 加锁,把 if 和 new 变成原子操作。
    2. 双重 if,减少不必要的加锁操作。
    3. 使用 volatile 禁止指重排序,保证后续线程肯定拿到的是完整对象。

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