單例模式(上)---如何優雅地保證執行緒安全問題

帥地發表於2018-09-17
單例模式執行緒

上次帥地問的問題，讓小秋學習了不少。這幾天小秋剛好學習了一些設計模式的知識，這不，又跑去找帥地探討一些問題了。

粗糙的同步

小秋：地哥，上次你問的問題，讓我收穫頗多，這些天我大致研究了下設計模式，帥地有什麼指教的嗎？

帥地：小子，行啊。那我再考考你得了。

此刻小秋聚精會神著等帥地又會丟擲哪些問題…..

帥地：學過單例模式吧？單例模式有多種寫法，寫一種出來看看。

小秋：好啊，聽說單例模式是面試中問的最多的一種模式，對於單例模式的幾種的寫法，我可以相當熟練哦（有點得意）。

於是，小秋甩手就寫了一種懶漢模式的程式碼出來

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    //私有建構函式
    private Singleton(){};

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

懶漢模式：就是等到有執行緒呼叫getInstance這個方法時，才來建立物件例項。與懶漢模式相反的是餓漢模式，下篇會講到。

帥地：夠熟練的你，不過你這段程式碼並非執行緒安全的，怎麼辦？

小秋：嘿嘿，簡單，看我的。

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    //私有建構函式
    private Singleton(){};

    //多了個synchronized關鍵字
    public   synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

注：不清楚synchronized關鍵字的可以看我之前寫的文章：執行緒安全(上)—徹底搞懂synchronized(從偏向鎖到重量級鎖)

雙重檢測機制

帥地：你剛才的那種執行緒不安全的寫法，你知道是在什麼時候呼叫這個方法，會出現執行緒安全問題嗎？

小秋：知道了，主要是因為，當這個例項物件還沒有被建立過的時候，突然同時有幾個執行緒來建立，就有可能會出現執行緒安全問題導致建立了不止一個例項。

但是，如果這個例項已經被安全著建立了之後，以後不管有再多的執行緒來呼叫，那麼都不會出現執行緒安全的問題，因為這個if語句裡面的程式碼永遠不會被執行。

帥地：分析的很好，那麼問題來了。當一個物件被建立之後，以後有執行緒來呼叫這個方法，本來可以不用進入同步塊也能保證執行緒安全的，可是，你把synchronized宣告在了方法名稱前，導致之後該方法的呼叫都會進入同步快，這樣很影響速度。

小秋：原來這樣，怪不得我看書本說，不推薦這種做法，那我改一下：

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    //私有建構函式
    private Singleton(){};
    public   Singleton getInstance() {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

帥地：小秋，你這樣其實和上面那個是幾乎一樣的，因為你把if(instance == null)這句話的判斷放在了同步塊內，以後有執行緒呼叫這個方法，還是會每次都進入同步塊的。

其實，我們需要的是，當判斷到instance != null時，就直接把instance返回了，而不是把這個判斷放到同步塊裡。

小秋：我知道怎麼做了。

於是，不一會，小秋劈里啪啦就寫好了

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    //私有建構函式
    private Singleton(){};

    //這種是什麼鬼方式？
    public   Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class){
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

帥地：你確定你這段程式碼是執行緒安全的嗎？

小秋趕緊在腦子裡模擬了一下當例項物件還沒有被建立時，有兩個程式同時進入了if(instance == null){}程式碼塊中，結果發現這兩個物件都會成功建立新的物件例項。

於是，小秋趕緊在同步塊中又加了一層if判斷。

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    //私有建構函式
    private Singleton(){};

    //雙重檢測機制
    public   Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class){
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

帥地：腦子棟的挺快嘛，這樣子基本就能保證執行緒安全了。嗯，很棒。這種加鎖的方法也叫做雙重檢測機制。

解釋說明：當instance==null時，假如有兩個執行緒p1,p2進入了第一個if語句，之後p1進入的同步塊中，成功建立了物件例項，這時候論到p2進入同步塊，由於同步塊還有一層if(instance==null)的判斷，又因為此時instance != null了，所以p2無法再建立新的例項物件。

小秋聽到帥地誇獎自己，滿臉開心….

指令重排的搗蛋

帥地：不過，你這樣寫，還不算是絕對的執行緒安全，還是有可能會出現執行緒安全問題。你在仔細想想。

小秋：還會出現執行緒安全問題？(一臉懵逼)….

一陣絞盡腦汁過後….

小秋：我覺得沒啥問題啊。

帥地：好吧，你已經寫的挺不錯了，今天就再讓你漲漲知識。

其實這個執行緒安全的問題，主要是因為物件的建立過程並非是原子性的。在建立的過程中，由於指令重排的影響，才導致出現問題的。

所謂指令重排就是改變了指令的執行順序，例如程式碼中有兩行程式碼：int a = 10;int b = 20;由於虛擬機器指令重排的影響，編譯後有可能順序被改變了，變成這樣：int b = 20;int a = 10;

且聽我慢慢道來：

當我們的虛擬機器在執行 instance = new Singleton這句程式碼時，會被分解成以下三個動作來執行：

memory = allocate();//1: 給物件分配記憶體空間。

ctorInstance(memory);//2: 初始化物件

instance = memory; //3: 把instance變數指向剛剛分配的記憶體地址。

但是，這三個動作的執行順序並非是一成不變的，有可能經過JVM和CPU的優化編譯之後，這三個動作的執行順序發生了改變，變成了這樣：

memory = allocate();//1: 給物件分配記憶體空間。

instance = memory; //3: 把instance變數指向剛剛分配的記憶體地址

ctorInstance(memory);//2: 初始化物件

現在假設instance== null,且有p1, p2兩個執行緒來呼叫這個方法。當p1執行完1，3但還沒有執行2時，這時instance已經不再是null了。假如這個時候p2剛剛進入getInstance這個方法，然後執行if(instance == null)的判斷語句，這個時候判斷的結果會是false，於是p2直接把instance給返回的。

但由於p1還沒有執行動作2，此時的物件還沒有被初始化，但卻已經被p2給返回了。此時，這個被返回的物件出現問題了。

於是，就出現了執行緒安全問題。

通過volatile來保證指令重排問題

小秋：又漲知識了。

帥地：問題的根源就是指令重排的影響，所以我們只要保證在建立物件的時候，不要出現指令重排就可以了。

所以說，我們可以把instance這個變數宣告為volatile。程式碼如下：

public class Singleton {
    private volatile Singleton instance = null;
     //私有建構函式
    private Singleton(){};

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

注：不清楚volatile關鍵字的可以看我之前寫的文章：
執行緒安全(上)—徹底搞懂volatile關鍵字

這樣，只有把instance宣告為volatile，那麼虛擬機器就會保證這三個動作按照順序執行了，也就不會出現執行緒安全問題了。

小秋：哇，謝謝地哥的耐心講解呢。我要給你點個贊。

結束語

這兩次的文章都採用對話的模式來寫，之後的文章可能會更多的採用文字對話和漫畫對話的形式講，主要是因為現在還沒找到比較喜歡的漫畫人物，過幾天找到了，就嘗試用漫畫來講。

小夥伴們如果有好的人物推薦，可以通過加我為好友或者公眾號後臺發給我哦，在此感謝大家的支援。

完

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