【多线程】线程安全的单例模式

news2025/1/20 14:59:36

线程安全的单例模式

饿汉模式
懒汉模式
- 单线程版
- 多线程版
- 多线程版(改进)

单例模式能保证某个类在程序中只存在唯一一份实例, 而不会创建出多个实例，从而节约了资源并实现数据共享。
比如 JDBC 中的 DataSource 实例就只需要一个.

单例模式具体的实现方式, 分成 “饿汉” 和 “懒汉” 两种.

饿汉模式

类加载的同时, 创建实例.

    class Singleton {
        private static Singleton instance = new Singleton();
        // 私有化构造方法，防止外部创建实例
        private Singleton() {}
        public static Singleton getInstance() {
            return instance;
        }
    }

注意：

使用 static 修饰 instance，该实例就是该类的唯一实例。
要私有化构造方法，防止外部创建实例。
饿汉模式中，线程只读取了实例，所以是线程安全的。

懒汉模式

单线程版

类加载的时候不创建实例. 只有真正第一次使用它的时候才创建实例.

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

多线程版

上面的懒汉模式的实现是线程不安全的. （线程安全问题详解）

因为这里面读取和修改 instance 是两个操作，不是原子操作，线程安全问题发生在首次创建实例时.
如果在多个线程中同时调用 getInstance 方法, 就可能导致创建出多个实例.

在这里插入图片描述

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

注意：
针对 Singleton 类对象加锁（类对象在一个程序中只能有一份），保证所有线程调用 getInstance 方法时，针对同一个对象进行加锁。

多线程版(改进)

代码可能出现线程安全问题的时机就在第一次创建实例时，一旦实例已经创建好了, 后面再多线程环境调用 getInstance 就不再有线程安全问题了(不再修改 instance 了) ，按照上面的加锁方式，不管是否会发生线程安全问题都会加锁，即使初始化之后线程安全了，仍然存在大量锁竞争，降低了程序的效率。

所以在加锁的基础上, 做出了进一步改动:

使用双重 if 判定, 降低锁竞争的频率。
给 instance 加上了 volatile，保证内存可见性以及防止指令重排序。

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

为什么要双重 if 判定？

加锁 / 解锁是一件开销比较高的事情. 而懒汉模式的线程不安全只是发生在首次创建实例的时候. 因此后续使用的时候, 不必再进行加锁了.

外层的 if 就是判定下看当前是否已经把 instance 实例创建出来了，如果已经创建出来了就不用再加锁了。

为什么要使用 volatile ? volatile 关键字详解

保证内存可见性：（内存可见性问题）

多个线程调用 getInstance 方法，就会造成大量读 instance 内存操作，这样就可能导致编译器进行优化，不读内存，直接读寄存器，一旦优化，即使其他线程创建了实例，该线程也感知不到。所以使用 volatile 关键字。
（主要针对外外层的 if 判断，因为 synchronized 也能防止指令重排序，所以内层判断不会受影响。）

防止指令重排序

什么是指令重排序？
举个栗子：
一段代码是这样的：

1. 去前台取下 U 盘
2. 去教室写 10 分钟作业
3. 去前台取下快递

为了提高效率, JVM、CPU指令集会对其进行优化，比如，按 1->3->2的方式执行，也是没问题，可以少跑一次前台，提高效率。这种就叫做指令重排序。

编译器对于指令重排序的前提是 “保持逻辑不发生变化”.
这一点在单线程环境下比较容易判断, 但是在多线程环境下就没那么容易了,
多线程的代码执行复杂程度更高, 编译器很难在编译阶段对代码的执行效果进行预测,
因此激进的重排序很容易导致优化后的逻辑和之前不等价.

在这里插入图片描述

其中创建实例 new Singleton() 又分为三个步骤：

分配内存空间
对内存空间进行初始化
把内存空间的地址赋给引用 instance

假如没有使用 volatile 关键字，编译器可能对此进行了优化，进行了指令重排序，那么有可能优化为 1 -> 3 -> 2 。

这样的话，当第一个线程 t1 要获取实例时，因为实例为null, 所以肯定会创建实例，但是可能编译器进行了优化，那么可能顺序就变成了 1 -> 3 -> 2

先开辟了一块空间
将空间地址赋值给引用
对空间初始化

当进行完第二步，把空间地址赋值给引用后，还没来得及初始化，此时另外一个线程 t2 来获取实例了，进行判断时，发现 instance 不为空，那么就直接返回实例了
在这里插入图片描述

t2 拿到实例后，直接进行使用，那么就会报错了，因为虽然开辟了空间，但是 t1 还没来得及对空间进行初始化，拿到的是不完整的对象。

解决：
对 instance 对象加上 volatile 关键字，禁止指令重排序，保证其他线程拿到的是一个完整的实例。

完整过程举栗：

有三个线程, 开始执行 getInstance , 通过外层的 if (instance == null) 知道了实例还没有创建的消息. 于是开始竞争同一把锁.
其中线程1 率先获取到锁, 此时线程1 通过里层的 if (instance == null) 进一步确认实例还没有创建, 于是就把这个实例创建出来.
当线程1 释放锁之后, 线程2 和线程3 也拿到锁, 也通过里层的 if (instance == null) 来确认实例是否已经创建, 发现实例已经创建出来了, 就不再创建了.
后续的线程, 不必加锁, 直接就通过外层 if (instance == null) 就知道实例已经创建了, 从而不再尝试获取锁了. 降低了开销.

总结：