【Java多线程案例】单例模式-3. 单例模式的线程安全问题

最编程 2024-07-31 20:50:56

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3.1 问题引入

上述关于"单例模式"的介绍只是序幕，毕竟我们本章重点论述的还是多线程主题，下面就有一个重要问题了：上述我们编写的单例模式代码是否存在 线程安全问题 呢？

饿汉模式：由于饿汉模式中创建唯一实例的时机在类加载的时候，而调用getInstance方法执行的过程中直接返回该唯一实例，是纯粹的读取操作，不涉及多个线程修改同一变量的情况，因此天然就是线程安全的！
懒汉模式：想必聪明的小伙伴已经想到了，懒汉模式是不是就是线程不安全的呢？就是这样！下面我们就来考虑多个线程同时执行的情况

演示懒汉模式的线程安全问题：

如图所示：线程t1首先进入条件判断当前实例为null，然后进入if语句块中，但是此时还没有来得及执行new操作创建实例就被调度出CPU，此时线程t2进行判断当前实例为null，然后进入if语句块中创建实例完成返回，此时线程t1重新被CPU调度，接着执行new SingletonLazy()方法，因此创建出了多个实例，即懒汉式单例模式线程不安全！！！

3.2 解决懒汉式线程安全问题

那么如何改进上述代码让"懒汉式"单例模式变成线程安全的呢？出现问题的关键在于if条件判断和new创建实例并不是原子操作，因此解决方法就是通过synchronized关键字将这两个操作打包成原子操作！

3.2.1 改进代码（解决线程安全问题）

/**
 * 改进版本单例模式（解决线程安全问题）
 */
class SingletonLazyImprove01 {
    private static SingletonLazyImprove01 instance = null; // 唯一实例
    private static Object locker = new Object();

    public static SingletonLazyImprove01 getInstance() {
        synchronized (locker) {
            if (instance == null) {
                instance = new SingletonLazyImprove01();
            }
        }
        return instance;
    }

    private SingletonLazyImprove01() {};
}

上述代码我们引入synchronized关键字将if条件判断与new创建实例操作加锁打包成"原子"操作，此时如果继续按照刚才的场景，线程t1先进行加锁，如果t2也尝试进入if语句块就会因为锁竞争而阻塞等待，直到线程t1创建完实例之后释放锁，此时t2线程判断实例已经被创建好，就直接返回，因此不会出现线程安全问题了！

3.2.2 改进代码（解决效率问题）

但是问题还没有结束！现在的代码虽然解决了线程安全问题，但是还存在着效率问题，因为我们这里调用getInstance都会先尝试加锁，然后判断当前实例是否为空，然后再解锁！但是线程安全问题只存在于第一次尝试创建实例的时候，如果实例已经创建完毕，后续所有的操作都是读取操作，就不会再产生线程安全问题了！所以我们引入的解决方式就是 if双重校验锁 ，其代码如下：

class SingletonLazyImprove02 {
    private static SingletonLazyImprove02 instance = null;
    private static Object locker = new Object();

    public static SingletonLazyImprove02 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (locker) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazyImprove02();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private SingletonLazyImprove02() {};
}

此时我们会看到有两个if判断语句，换做是单线程情况下我们从来不会写这样的代码，但是一旦涉及到多线程的时候，if双重校验锁是很常见的，其中第一个if语句用来判断是否需要进行加锁操作，第二个if语句用来判断是否需要创建实例，但是恰巧两个if语句的条件一样！

3.2.3 改进代码（解决指令重排序问题）

但是上述代码还有一些小问题，我们需要先介绍有关 指令重排序 的话题

指令重排序：指令重排序是一种编译器优化手段，会在保证逻辑不变的情况下调整原有代码的执行顺序，来提高程序的效率，但是有可能会引发线程安全问题
例如在创建实例的代码中：instance = new SingletonLazyImprove02();内部包括三个核心步骤

申请一块内存空间
调用构造方法对内存空间进行初始化
将内存空间地址赋值给instance变量

正常情况下执行顺序都是按照1->2->3进行的，但是编译器也可能会优化为1->3->2的步骤来执行，这两种在单线程环境下都没有问题，但是如果在多线程情况下执行就有可能出现线程安全问题

如图所示，线程t1先进行加锁，然后创建实例过程中先执行第一步与第三步，此时被调度出CPU，但是后来的线程判断实例是否为空，此时直接返回未被初始化的内存空间地址，这时就会出现错误！！！

volatile关键字：我们在之前的章节已经提到过使用volatile关键字可以解决内存可见性和指令重排序的问题，因此该问题的解决方式就是使用volatile关键字，强制让编译器完全按照1->2->3的顺序来执行

/**
 * 懒汉式单例模式改进版本（解决指令重排序）
 */
class SingletonLazyImprove03 {
    private static volatile SingletonLazyImprove03 instance = null;
    private static Object locker = new Object();

    public static SingletonLazyImprove03 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (locker) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazyImprove03();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private SingletonLazyImprove03() {};
}