DCL单例模式
我们第一次写的单例模式是下面这样的:
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
public static Singleton getInstance() {
if(null == instance) { // line A
instance = new Singleton(); // line B
} return instance; }
}
假设这样的场景:两个线程并发调用Singleton.getInstance(),假设线程一先判断instance是否为null,即代码中line A进入到line B的位置。刚刚判断完毕后,JVM将CPU资源切换给线程二,由于线程一还没执行line B,所以instance仍然为空,因此线程二执行了new Singleton()操作。片刻之后,线程一被重新唤醒,它执行的仍然是new Singleton()操作,这样问题就来了,new出了两个instance,这还能叫单例吗?
紧接着,我们再做单例模式的第二次尝试:
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
public synchronized static Singleton getInstance() {
if(null == instance) {
instance = new Singleton();
} return instance; }
}
比起第一段代码仅仅在方法中多了一个synchronized修饰符,现在可以保证不会出线程问题了。但是这里有个很大(至少耗时比例上很大)的性能问题。除了第一次调用时是执行了Singleton的构造函数之外,以后的每一次调用都是直接返回instance对象。返回对象这个操作耗时是很小的,绝大部分的耗时都用在synchronized修饰符的同步准备上,因此从性能上来说很不划算。
继续把代码改成下面这样:
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
public static Singleton getInstance() {
synchronized (Singleton.class) {
if(null == instance) {
instance = new Singleton();
}
} return instance; }
}
基本上,把synchronized移动到代码内部是没有什么意义的,每次调用getInstance()还是要进行同步。同步本身没有问题,但是我们只希望在第一次创建instance实例的时候进行同步,因此有了下面的写法——双重锁定检查(DCL,Double Check Lock)。
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
public static Singleton getInstance() {
if(null == instance) { // 线程二检测到instance不为空
synchronized (Singleton.class) {
if(null == instance) {
instance = new Singleton(); // 线程一被指令重排,先执行了赋值,但还没执行完构造函数(即未完成初始化)
}
}
} return instance; // 后面线程二执行时将引发:对象尚未初始化错误 }
}
看样子已经达到了要求,除了第一次创建对象之外,其它的访问在第一个if中就返回了,因此不会走到同步块中,已经完美了吗?
如上代码段中的注释:假设线程一执行到instance = new Singleton()这句,这里看起来是一句话,但实际上其被编译后在JVM执行的对应会变代码就发现,这句话被编译成8条汇编指令,大致做了三件事情:
1)给instance实例分配内存;
2)初始化instance的构造器;
3)将instance对象指向分配的内存空间(注意到这步时instance就非null了)
如果指令按照顺序执行倒也无妨,但JVM为了优化指令,提高程序运行效率,允许指令重排序。如此,在程序真正运行时以上指令执行顺序可能是这样的:
a)给instance实例分配内存;
b)将instance对象指向分配的内存空间;
c)初始化instance的构造器;
这时候,当线程一执行b)完毕,在执行c)之前,被切换到线程二上,这时候instance判断为非空,此时线程二直接来到return instance语句,拿走instance然后使用,接着就顺理成章地报错(对象尚未初始化)。
具体来说就是synchronized虽然保证了线程的原子性(即synchronized块中的语句要么全部执行,要么一条也不执行),但单条语句编译后形成的指令并不是一个原子操作(即可能该条语句的部分指令未得到执行,就被切换到另一个线程了)。
根据以上分析可知,解决这个问题的方法是:禁止指令重排序优化,即使用volatile变量。
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance = null;
public static Singleton getInstance() {
if(null == instance) {
synchronized (Singleton.class) {
if(null == instance) {
instance = new Singleton();
}
}
} return instance; }
}
将变量instance使用volatile修饰即可实现单例模式的线程安全。
关于volatile的用法在此不展开,之后会另行介绍。
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