单例模式和多线程并发在单例模式中的影响

Bertha 。 2022-06-02 00:05 283阅读 0赞

### 你所不知道的单例模式和多线程并发在单例模式中的影响 ###

*发表于2016/9/6 0:23:14  6708*人阅读

分类： Java中的设计模式

本博客是根据多篇博客修改的。因为原文博客对于菜鸟不是很易理解，所以在这里加了点东西

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：
    
    1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。
    
    2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。
    
    3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

首先我们写一个简单的单例类：

public class Singleton {
    
        /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */
        private static Singleton instance = null;
    
        /* 私有构造方法，防止被实例化 */
        private Singleton() {
        }
    
        /* 静态工程方法，创建实例 */
        public static Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    
        /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
        public Object readResolve() {
            return instance;
        }
    }
     
      
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这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了，如何解决？我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字，如下：

public static synchronized Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
     
      
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但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个：

public static Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (instance) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
     
      
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似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的
        Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：
    
    a>A、B线程同时进入了第一个if判断
    
    b>A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();
    
    c>由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。
    
    d>B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
    
    e>此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

可能到了这里有些朋友可能会问为什么这样会出错？？？，下面我会详细的解释，这些都涉及到java中虚拟机对class文件的处理，虚拟机对java指令的操作。
        出现的问题也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。
    不太明白为啥初始化那一步不执行完就跳出synchronized块？？
        这就是我开始看到这个代码问的一个问题。
    
        本题涉及几个知识点。我详细解释下。
    1.如果你是想在JAVA代码级别解释这个问题，那么你是在浪费时间。这个问题必须到JVM生成的代码级别讨论（很多问题都是这个样子，在JAVA代码级别讨论不仅浪费时间，而且没有意义，记得有人跟我说过一句话：在你所处理的层面，问题根本还没有浮现（非编程问题））。 ------引用自一位大神的解释
    
        public class TestJVM {  
            public static void main(String[] args)  
            {  
                TestJVM abc = new TestJVM();  
            }  
        }  
    这个代码用 javap -c 命令反编译生成下面命令行：

public TestJVM();  
          Code:  
           0:   aload_0  
           1:   invokespecial   #8; //Method java/lang/Object."":()V  
           4:   return  
        public static void main(java.lang.String[]);  
          Code:  
           0:   new #1; //class TestJVM  
           3:   dup  
           4:   invokespecial   #16; //Method "":()V  
           7:   astore_1  
           8:   return

下面是一位大神写的解答：
    
        解释这段代码是这道问题的第一步,建议你大概查阅下JVM规范。
    (1) new 的含义是创造一块内存，并且在堆栈上压入指向这块内存的引用。
    (2) dup的含义是将栈顶复制，并压入栈。(所以现在有了两个指向刚才分配内存的引用)
    (3) invokespecial意思是将分配的内存中初始化对象。
    (4) astore_1是将栈顶压入本地变量。
    (这段过程，我建议你自己多画几遍，体会下JVM"面向堆栈"的概念,JVM规范第一章最好看看)
    3.上面的四个步骤(绝对的物理过程)，其实就是三件事（体会一下原子语句的含义）:
    a.给实例分配内存。
    b.初始化构造器
    c.将引用指向分配的内存空间（注意到这步引用就非null了）。
    一般来说，我们期望执行的步骤是a->b->c，然而，由于JVM乱序执行的特性（自己查查这句话在哪，别轻易相信别人,虽然有时候文档也是会骗人的-!-）,可能执行的顺序是a->c->b。当a->c->b这样执行时候，假如刚执行完c，这样线程2访问这个引用，发现引用不为空，他就对相应的内存做操作，这样就会发生错误，这种错误想必不容易发现(那是不是不容易发生？取决于具体的应用环境。)。
    
    4.问题的关键用一句话来概括，就是这个意思：if(instance==null),如果instance !=null,那么instance就真的准备好了么？
    所以，最原始的写法虽然慢，但是不会产生这种问题，因为原始写法把判断是否等于null的语句，也给锁起来了。只有得到锁，才有资格判断 
    
    5.上面的几条，你也许看了第四条，或者大概明白前几条，你的问题就能解答了。不精确的了解似乎也能回答，但是，有好多误解就产生了。
    比如，有人说，加了valatile类型修饰（JVM1.5以后）符可以将LZ的写法变对，如private volatile static Singleton instance = null;
    其实这是不对的，valatile（LZ想想为什么valatile影响效率？理解下寄存器和内存的效率差别）无非说的就是线程是不能保留共享对象的本地
    
    拷贝（正常情况线程是可以保留的）,那是不是每次去内存中取，就能保证单例对象的正常初始化呢？很明显，这完全是两个问题。
    
    6.很多细节问题（编程方面），你都得查查英文文档，得自己写试试，中文大家说的话都非常像（因为都是同一本书里面说的，再加上第一个
    
    人的翻译水平不咋样），很多误解就此产生。 
    
    
        另外一位大神的总结：
    
        1.java寄存器读写是无序的，这也是问题的根源。
        2.针对这个问题就是在于最外层的if语句不在同步块中，所以即使下面的同步块是正确的，且同步块具有可线性化特性，但是这些都是语言级的功能，换句话说，是java来保证这些同步操作是一个原子操作。所以没在同步块中的if有可能拿到一个没有初始化完全的对象。 
    
        3.volatile 只是具备同步刷新寄存器于缓存之间的功能，这个步骤是原子操作。以上面为例，cache = new ConcurrentHashMap(); 这个操作不保证ConcurrentHashMap初始化以完成。但保证指针指向的分配区域所有线程可见。
        所以这句话写成
        Map temp = new ConcurrentHashMap();
        cache = temp;
        同样存在问题。 
    
    
    
    
    这里是根据现在的解答总结的原因：
    
        我们以A、B两个线程为例：
    
        a>A、B线程同时进入了第一个if判断
    
        b>A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();
    
        c>由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。
    
        d>B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
    
        e>此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。
    
    个人见解：在jvm中，jvm通过.class文件得来的java指令，这些指令在每一个方法中都相当于一个指令集合，每次运行这个方法都会运行这个指令集合。然后对于前面synchronized中的问题代码:
    
    public static Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (instance) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    
    
    其中这个代码：
    
    synchronized (instance) {
            if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
            }
    }
    我猜测这里生成的几个指令在这里乱序执行，其实前面那位大神也说了是乱序执行。所以当出了synchronized后，还有构造方法未初始化的说法。
    
    通过return指令再结束这个指令集，也就是方法。所以说，这也就能解释下面的下面(指的是，下面这个单例模式的下面一个单例模式例子)的一个单例模式实例能行，而上面这个单例模式实例不行了。

所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们对该程序做进一步优化：

private static class SingletonFactory{         
            private static Singleton instance = new Singleton();         
        }         
        public static Singleton getInstance(){         
            return SingletonFactory.instance;         
        } 
     
      
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实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

public class Singleton {
    
        /* 私有构造方法，防止被实例化 */
        private Singleton() {
        }
    
        /* 此处使用一个内部类来维护单例 */
        private static class SingletonFactory {
            private static Singleton instance = new Singleton();
        }
    
        /* 获取实例 */
        public static Singleton getInstance() {
            return SingletonFactory.instance;
        }
    
        /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
        public Object readResolve() {
            return getInstance();
        }
    }
     
      
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其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的：

public class SingletonTest {
    
        private static SingletonTest instance = null;
    
        private SingletonTest() {
        }
    
        private static synchronized void syncInit() {
            if (instance == null) {
                instance = new SingletonTest();
            }
        }
    
        public static SingletonTest getInstance() {
            if (instance == null) {
                syncInit();
            }
            return instance;
        }
    }
     
      
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考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。
    补充：下面再来一个“影子模式”:
    采用"影子实例"的办法具体说，就是在更新属性时，直接生成另一个单例对象实例，这个新生成的单例对象实例将从数据库或文件中读取最新的配置信息；然后将这些配置信息直接赋值给旧单例对象的属性。

public class GlobalConfig {
        private static GlobalConfig instance = null;
        private Vector properties = null;
        private GlobalConfig() {
          //Load configuration information from DB or file
          //Set values for properties
        }
        private static synchronized void syncInit() {
          if (instance = null) {
            instance = new GlobalConfig();
          }
        }
        public static GlobalConfig getInstance() {
          if (instance = null) {
            syncInit();
          }
          return instance;
        }
        public Vector getProperties() {
          return properties;
        }
        public void updateProperties() {
          //Load updated configuration information by new a GlobalConfig object
          GlobalConfig shadow = new GlobalConfig();
          properties = shadow.getProperties();
        }
      }
     
      
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注意：在更新方法中，通过生成新的GlobalConfig的实例，从文件或数据库中得到最新配置信息，并存放到properties属性中。上面两个方法比较起来，第二个方法更好，首先，编程更简单；其次，没有那么多的同步操作，对性能的影响也不大。

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通过单例模式的学习告诉我们：
    
    1、单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。
    
    2、synchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁）。
    
    到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？
    
    首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）
    
    其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。
    
    再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static，无法被覆写。
    
    最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的Java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像HashMap采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的优点，才能最好的解决问题！

参考资料：  
[http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8194653][http_blog.csdn.net_zhangerqing_article_details_8194653]  
[http://www.iteye.com/problems/35251][http_www.iteye.com_problems_35251]  
[http://www.cnblogs.com/hxsyl/archive/2013/03/19/2969489.html][http_www.cnblogs.com_hxsyl_archive_2013_03_19_2969489.html]

[http_blog.csdn.net_zhangerqing_article_details_8194653]: http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8194653
[http_www.iteye.com_problems_35251]: http://www.iteye.com/problems/35251
[http_www.cnblogs.com_hxsyl_archive_2013_03_19_2969489.html]: http://www.cnblogs.com/hxsyl/archive/2013/03/19/2969489.html