并发中单例模式的解法

王晗发布于2019-08-19 11:37 / 2953人阅读

摘要：如何解救呢作为一个的开发者，对一定不陌生，提到多线程，大部分人想到的都是他后，他的性能提升巨大，解决简单并发，非常适用。

消耗内存最严重的对象创建过程，必须对其进行约束，作为创建型模式的单例模式(Singleton)，始终保持应用程序中某一个实例有且仅有一个，可以很显著的提升程序性能。

以下将探讨singleton的四种实现方式.

 单线程下的Singleton的稳定性是极好的，可分为两大类：

1.Eager（饿汉型）：类加载时立即创建对象。

public class EagerSingleton {
    //1. 类加载时就立即产生实例对象，通过设置静态变量被外界获取
    //2. 并使用private保证封装安全性
    private static EagerSingleton eagerSingleton  = new EagerSingleton();
    
    //3. 通过构造方法的私有化，不允许外部直接创建对象，确保单例的安全性
    private EagerSingleton(){
    }
    public static EagerSingleton getEagerSingleton(){
        return eagerSingleton;
    }

2.Lazy（懒汉型）：类加载时没有立即创建对象，等到第一个用户获取才进行实例化。

public class LazySingleton {
    //1. 类加载时并没有创建唯一实例
    private static LazySingleton lazySingleton;
    
    private LazySingleton() {
    }
        
    //2、提供一个获取实例的静态方法
    public static LazySingleton getLazySingleton() {
        if (lazySingleton == null) {
            lazySingleton = new LazySingleton();
        } 
        return lazySingleton;
    }

就性能方面而言，LazySingleton 明显优于 EagerSingleton ，若类的加载需要耗费大量的资源(e.g. 读取大文件信息)，那么LazySingleton 的优势显而易见。但通过阅读代码，很容易发现一个致命问题。多线程间如何保持安全性？

下面将对多线程并发问题进行解析：

解决该问题的关键在于两方面：1.同步;  2.性能；

1.首先我们来解决同步问题 : 为什么会产生同步异常的问题呢？以一个经典例子作为解释：

         
   有线程A,线程B同时调用getLazySingleton()获取实例，A调用时判断instance为null，正准备进行初始化时，突然A线程被挂起了，此时对象并未实例化成功，更糟的事随后发生，B线程被运行了，他也判断了instance为null，此时A，B都进入了实例化阶段，这样就产生了两个实例，破坏单例原则。

如何解救呢？
作为一个java的开发者，对synchronized一定不陌生，提到多线程，大部分人想到的都是他（JDK6后，他的性能提升巨大，解决简单并发，非常适用）。

那就让我们用synchronized来尝试解决吧：

//由synchronized进行同步加锁
public synchronized static LazySingleton getLazySingleton() {
        if (lazySingleton == null) {
            lazySingleton = new LazySingleton();
        } 
        return lazySingleton;
    }

如此同步问题看似解决，但是作为一个开发者，最重要的是性能的保障，使用synchronized有利有弊，由于加锁操作，代码段被加上悲观锁，只有等一个请求完成，下个请求才能进入执行。通常加上synchronized关键字的代码片会比同等量级的代码慢上几倍，这是我们不愿见到的。那如何避免这一问题呢？在java对synchronized的定义里有这样的建议：越迟使用synchronized，性能越优（细化锁）。

###### 2.因此，我们需要开始解决性能的问题了。按照synchronized优化： ######

public class DoubleCheckLockSingleton {
    //使用volatile保证每次取值不是从缓存中取，而是从真正对应的内存地址中取.（下文解释）
    private static volatile DoubleCheckLockSingleton doubleCheckLockSingleton;
    
    private DoubleCheckLockSingleton(){
        
    }
    
    public static DoubleCheckLockSingleton getDoubleCheckLockSingleton(){
        //配置双重检查锁（下文解释）
        if(doubleCheckLockSingleton == null){
            synchronized (DoubleCheckLockSingleton.class) {
                if(doubleCheckLockSingleton == null){
                    doubleCheckLockSingleton = new DoubleCheckLockSingleton();
                }
            }
        }
        return doubleCheckLockSingleton;
    }
}

上述源码就是经典的volatile关键字（JDK1.5 后重生）+双重检查锁（DoubleCheck），最大程度的优化了sychronized带来的性能开销。下面将为大家解释volatile与DoubleCheck。

1.volatile

是在JDK1.5后才正式被实现使用的，之前的版本只是定义了该关键字，未有具体实现。若想理解volatile就必须对JVM自身的内存管理有些许了解：

1.1 遵循着摩尔定律，内存的读写速度已远不能满足CPU，因此现代计算机引入了在CPU上添加高速缓存的机制，由缓存预读取内存的值，并暂存于缓存中，通过计算，再更新内存中的相应值。

**1.2** 而JVM模仿PC的这一做法，在内存中划分了自己的**工作内存**，该部分内存作用与高速缓存一致，很显著的提高JVM工作效率，但凡事都有利有弊，这一做法也导致工作内存与其他内存通信时容易导致传输上的问题。volatile的一个功能就是强制的从内存中读取最新的值，避免缓存与内存不一致的状况。

1.3 volatile的另一个功能也是和JVM相关，即JVM会通过自身的判断，将源码的执行顺序重排，保证指令流水线连贯性，以达到最优的执行方案。这种做法提高了性能，但对DoubleCheck却会产生意想外的结果，两线程可能互相干扰。而volatile提供了happens-before guarantee（写优先于读），使对象不被干扰，保证安全的稳定性。

2.DoubleCheck

这是现代编程的遗留，假设进入同步块之后，对象已被实例化，此时需再次进行判断。

当然还有一种官方推荐的单例实现方法：

由于类的构造在定义中已是原子性的，因此上述的各种问题都不会再产生，是一种很好的单例实现方式，推荐使用。

//使用内部类进行单例构造
public class NestedClassSingleton {
    private NestedClassSingleton(){
        
    }
    private static class SingletonHolder{
        private static final NestedClassSingleton nestedClassSingleton = new NestedClassSingleton();
    }
    public static NestedClassSingleton getNestedClassSingleton(){
        return SingletonHolder.nestedClassSingleton;
    }
}

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