Java多线程之单例模式在多线程环境下的安全问题

Java多线程之单例模式在多线程环境下的安全问题

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目录：

1. 单例模式基本概念
2. 单线程下的单例模式
3. 多线程下的单例模式
4. 单例模式volatile分析

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1. 单例模式基本概念

基本概念转载自：单例模式|菜鸟教程

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

1. 单例类只能有一个实例。
2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：

1. 一个班级只有一个班主任。
2. Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
3. 一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：

1. 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
2. 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
   缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：

1. 要求生产唯一序列号。
2. WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
3. 创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

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2. 单线程下的单例模式

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1. 单线程下单例模式代码

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) {
        // 单线程（main线程的操作动作）
        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
    }
}

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2. 编译结果

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3. 多线程下的单例模式

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1. 多线程下，上面的代码执行结果不再是单例，结果如下（不固定）

2.解决办法，可以在getInstance()方法上加synchronized，但是不推荐。更好的解决办法是使用DCL(Double Check Lock 双端捡锁机制）

代码如下：

public class SingletonDemo {
    private static SingletonDemo instance = null;

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

    //DCL  (Double Check Lock 双端捡锁机制）
    public static SingletonDemo getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonDemo.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDemo();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //并发多线程后，情况发生了很大的变化
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                SingletonDemo.getInstance();
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

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4. 单例模式volatile分析

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1. 上面多线程下单例模式在99.9%情况下都正确，但还是不能保证完全正确。因为在多线程环境下，底层为了优化有指令重排。
2. 解决办法：加入volatile。

代码如下

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");
    }

    //DCL  (Double Check Lock 双端捡锁机制）
    public static SingletonDemo getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonDemo.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDemo();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //并发多线程后，情况发生了很大的变化
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                SingletonDemo.getInstance();
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

3. 具体分析：

   DCL（双端检锁）机制不一定线程安全，原因是有指令重排序的存在，加入volatile可以禁止指令重排。

   原因在于某一个线程执行到第一次检测，读取到的instance不为null时，instance的引用对象可能没有完成初始化。

   instance=newSingDemo()；可以分为以下3步完成（伪代码）

   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指向刚分配的内存地址，此时instance != null

   步骤2和步骤3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ins怡nce指向刚分配的内存地址，此时instance != null,但是对象还没有初始化完成！
   instance(memory);//2．初始化对象

   但是指令重排只会保证串行语义执行的一致性（单线程），但并不会关心多线程间的语义一致性。

   所以当一个线程访问instance不为null时，由于instance实例未必已初始化完成，也就造成了线程安全问题

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