单例模式与线程安全问题浅析

           最近看到到Struts1与Struts2的比较，说Struts1的控制器是单例的，线程不安全的；Struts2的多例的，不存在线程不安全的问题。之后又想到了之前自己用过的HttpHandler。。。这些类，好像单例的线程安全问题确实是随处可见的。但是只是知道这个是不安全的，也没有认真分析过。接下来就仔细分析下。

一，修改单例模式代码

      首先我先写一段单例类的代码：

        

/**
 * @ClassName: Sigleton
 * @Description: 单例类
 * @author 水田
 * @date 2015年12月19日 上午10:12:55
 */
public class Sigleton {
    private static Sigleton sigleton;
    private Sigleton() {
	// put the initMethod for this class
    };
    public static Sigleton getInstance() {
	// in this demo ,we use "Lazy-load Singleton"
	if (sigleton == null) {
	    sigleton = new Sigleton();
	}
	return sigleton;
    }
}

   这里我使用的是延迟加载，无论是使用延迟加载还是下面的饿汉式：

public class Sigleton { private static final Sigleton sigleton=new Sigleton(); private Sigleton() { // put the initMethod for this class }; public static Sigleton getInstance() { return sigleton; } }

       这两种情况使用哪一种，要根据实际情况来判断：到底我是要在此类还没有使用之前进行初始化，还是要在用到它去拿它的时候才初始化，还要看你的实际应用场景。比如说，我这个类超级大，这时候，你部署好了之后，就把它New了，然后放在内存中，十年八年的没人用，这不是浪费么？（情况举的比较极端，就是这个意思吧。不过你要是硬要跟我说，内存啥的越来越不值钱，或者爷有的是钱买内存，我也没办法！只能送你句，怪不得你没有女朋友！）

      仔细分析这两种方法，然后看看哪里存在线程不安全的因素。

      先来瞅瞅第一种，lazy-load方式：

      在调用getInstance的时候，先判断，是不是已经被New过了，如果没，那么我new,完了之后返回。想象下，多线程，当在一个线程内，执行到if (sigleton == null),另一个线程内，好巧啊，也执行到这里。然后两个线程同时判断发现还没这个东西，然后各自new一个。破坏了我的单实例的原则。

     相比第二种直接new的方式，这种方法显然是不安全的。但是，如果我要用到这种lazy-load方式，就要对它进行改进了。

   

     简单改进：

       

 public static synchronized Sigleton getInstance()

     加个关键字。

     但是这种方法还是不好，产生问题的只有sigleton = new Sigleton();现在我锁定了整个方法，有点儿多余了。再改下：

  

 public final Sigleton getInstance() {
	// in this demo ,we use "Lazy-load Singleton"
	if (sigleton == null) {
	    synchronized (this) {
		sigleton = new Sigleton();
	    }
	}
	return sigleton;
    }

      然后改完了之后，我们再从逻辑上看下是不是有漏洞：

      还是刚才的问题，俩线程，同时执行到if判空的时候，第一个线程由于调度原因，进入同步方法，执行了new操作，第二个线程判空完了之后，进不去，还等在同步方法外面。第一个线程出了同步方法，第二个线程进入了同步方法，又new了一个对象。。。。貌似确实有逻辑楼栋，再改下：

  

 public final Sigleton getInstance() {
	// in this demo ,we use "Lazy-load Singleton"
	if (sigleton == null) {
	    synchronized (this) {
		if (sigleton == null){
		sigleton = new Sigleton();
		}
	    }
	}
	return sigleton;
    }

    当第二个线程进入同步方法之后，要不要新new一个对象，还要判断下。

二，After双重检查

    上面的写法一方面实现了Lazy-Load，另一个方面也做到了并发度很好的线程安全，一切看上很完美。 
    但是二次检查自身会存在比较隐蔽的问题，查了Peter Haggar在DeveloperWorks上的一篇文章，对二次检查的解释非常的详细： 

          “双重检查锁定背后的理论是完美的。不幸地是，现实完全不同。双重检查锁定的问题是：并不能保证它会在单处理器或多处理器计算机上顺利运行。双重检查锁定失败的问题并不归咎于 JVM 中的实现 bug，而是归咎于 Java 平台内存模型。内存模型允许所谓的“无序写入”，这也是这些习语失败的一个主要原因。” 

    使用二次检查的方法也不是完全安全的，原因是 java 平台内存模型中允许所谓的“无序写入”会导致二次检查失败，所以使用二次检查的想法也行不通了。 

    Peter Haggar在最后提出这样的观点：“无论以何种形式，都不应使用双重检查锁定，因为您不能保证它在任何 JVM 实现上都能顺利运行。” 

    问题在哪里？ 

    假设线程A执行到了判断对象为空，于是线程A执行去初始化这个对象，但初始化是需要耗费时间的，但是这个对象的地址其实已经存在了。此时线程B也执行到了判断不为空，于是直接跳到后面去得到了这个对象。但是，这个对象还没有被完整的初始化！得到一个没有初始化完全的对象有什么用！！ 

    关于这个Double-Checked Lock的讨论有很多，目前公认这是一个Anti-Pattern，不推荐使用！ 

                                                                                                                                           （from 网友）

三，如何安全+单例使用

         首先说明下，饿汉模式是线程安全的；但是在某些情况下，比如，我们不得不使用lazy-load方式，可以考虑以下方法：

         1，使用volatile关键字

  private volatile static Sigleton sigleton;

              

        有些人认为使用 volatile 的原因是可见性，也就是可以保证线程在本地不会存有instance 的副本，每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。

 

         但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

   2，Initialization on Demand Holder

           

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

    private Sigleton() {
    };

    public static final Sigleton getInstance() {
	return SigletonHolder.INSTANCE;
    }
}

    

      在使用sigleton时候，SigletonHolder会被初始化，但是里面的INSTANCE却不会，只有当我们调用getInstance方法的时候，才会去new。既没有高大上的关键字，逻辑上也好理解。

    仔细分析，感觉还是蛮多问题的~