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Java Volatile應(yīng)用單例模式實(shí)現(xiàn)過程解析

更新時(shí)間：2020年11月04日 10:38:17 作者：柒

這篇文章主要介紹了Java Volatile應(yīng)用單例模式實(shí)現(xiàn)過程解析,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,需要的朋友可以參考下

單例模式

回顧一下，單線程下的單例模式代碼

餓漢式

構(gòu)造器私有化
自行創(chuàng)建，并且用靜態(tài)變量保存static
向外提供這個(gè)實(shí)例 public
強(qiáng)調(diào)這是一個(gè)單例，用final

public class sington(){
  public final static INSTANCE = new singleton();
  private singleton(){}
}

第二種：jdk1.5之后用枚舉類型

枚舉類型：表示該類型的對象是有限的幾個(gè)

我們可以限定為1個(gè)，就稱了單例

public enum Singleto{
  INSTANCE
}

第三種靜態(tài)代碼塊

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

}

懶漢式構(gòu)造器私有化

用一個(gè)靜態(tài)變量保存這個(gè)唯一實(shí)例

提供一個(gè)靜態(tài)方法，獲取這個(gè)實(shí)例

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

public class SingletonDemo {

  private static SingletonDemo instance = null;

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

  public static SingletonDemo getInstance() {
    if(instance == null) {
      instance = new SingletonDemo();
    }
    return instance;
  }

  public static void main(String[] args) {
    // 這里的 == 是比較內(nèi)存地址
    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
  }
}

最后輸出結(jié)果：

但是在多線程的環(huán)境下，我們的單例模式是否還是同一個(gè)對象了

public class SingletonDemo {

  private static SingletonDemo instance = null;

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

  public static SingletonDemo getInstance() {
    if(instance == null) {
      instance = new SingletonDemo();
    }
    return instance;
  }

  public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      new Thread(() -> {
        SingletonDemo.getInstance();
      }, String.valueOf(i)).start();
    }
  }
}

從下面的結(jié)果我們可以看出，我們通過SingletonDemo.getInstance() 獲取到的對象，并不是同一個(gè)，而是被下面幾個(gè)線程都進(jìn)行了創(chuàng)建，那么在多線程環(huán)境下，單例模式如何保證呢？

解決方法一

引入synchronized關(guān)鍵字

public synchronized static SingletonDemo getInstance() {
  if(instance == null) {
    instance = new SingletonDemo();
  }
  return instance;
}

輸出結(jié)果：

我們能夠發(fā)現(xiàn)，通過引入Synchronized關(guān)鍵字，能夠解決高并發(fā)環(huán)境下的單例模式問題

但是synchronized屬于重量級的同步機(jī)制，它只允許一個(gè)線程同時(shí)訪問獲取實(shí)例的方法，但是為了保證數(shù)據(jù)一致性，而減低了并發(fā)性，因此采用的比較少

解決方法二

通過引入DCL Double Check Lock雙端檢鎖機(jī)制

  public static SingletonDemo getInstance() {
    if(instance == null) {
      // 同步代碼段的時(shí)候，進(jìn)行檢測
      synchronized (SingletonDemo.class) {
        if(instance == null) {
          instance = new SingletonDemo();
        }
      }
    }
    return instance;
  }

最后輸出的結(jié)果為：

從輸出結(jié)果來看，確實(shí)能夠保證單例模式的正確性，但是上面的方法還是存在問題的

DCL（雙端檢鎖）機(jī)制不一定是線程安全的，原因是有指令重排的存在，加入volatile可以禁止指令重排

原因是在某一個(gè)線程執(zhí)行到第一次檢測的時(shí)候，讀取到 instance 不為null，instance的引用對象可能沒有完成實(shí)例化。因?yàn)?instance = new SingletonDemo()；可以分為以下三步進(jìn)行完成：

memory = allocate(); // 1、分配對象內(nèi)存空間
instance(memory); // 2、初始化對象
instance = memory; // 3、設(shè)置instance指向剛剛分配的內(nèi)存地址，此時(shí)instance != null

但是我們通過上面的三個(gè)步驟，能夠發(fā)現(xiàn)，步驟2 和步驟3之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，而且無論重排前還是重排后，程序的執(zhí)行結(jié)果在單線程中并沒有改變，因此這種重排優(yōu)化是允許的。

memory = allocate(); // 1、分配對象內(nèi)存空間
instance = memory; // 3、設(shè)置instance指向剛剛分配的內(nèi)存地址，此時(shí)instance != null，但是對象還沒有初始化完成
instance(memory); // 2、初始化對象

這樣就會造成什么問題呢？

也就是當(dāng)我們執(zhí)行到重排后的步驟2，試圖獲取instance的時(shí)候，會得到null，因?yàn)閷ο蟮某跏蓟€沒有完成，而是在重排后的步驟3才完成，因此執(zhí)行單例模式的代碼時(shí)候，就會重新在創(chuàng)建一個(gè)instance實(shí)例

指令重排只會保證串行語義的執(zhí)行一致性（單線程），但并不會關(guān)系多線程間的語義一致性

所以當(dāng)一條線程訪問instance不為null時(shí)，由于instance實(shí)例未必已初始化完成，這就造成了線程安全的問題

所以需要引入volatile，來保證出現(xiàn)指令重排的問題，從而保證單例模式的線程安全性

private static volatile SingletonDemo instance = null;

最終代碼

public class SingletonDemo {

  private static volatile SingletonDemo instance = null;

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

  public static SingletonDemo getInstance() {
    if(instance == null) {
      // a 雙重檢查加鎖多線程情況下會出現(xiàn)某個(gè)線程雖然這里已經(jīng)為空，但是另外一個(gè)線程已經(jīng)執(zhí)行到d處
      synchronized (SingletonDemo.class) //b
      { 
      //c不加volitale關(guān)鍵字的話有可能會出現(xiàn)尚未完全初始化就獲取到的情況。原因是內(nèi)存模型允許無序?qū)懭?
        if(instance == null) { 
        	// d 此時(shí)才開始初始化
          instance = new SingletonDemo();
        }
      }
    }
    return instance;
  }

  public static void main(String[] args) {
//    // 這里的 == 是比較內(nèi)存地址
//    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
//    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
//    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
//    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      new Thread(() -> {
        SingletonDemo.getInstance();
      }, String.valueOf(i)).start();
    }
  }
}

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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