Java并发编程原理与实战十：单例问题与线程安全性深入解析

单例模式我想这个设计模式大家都很熟悉，如果不熟悉的可以看我写的设计模式系列然后再来看本文。单例模式通常可以分为：饿汉式和懒汉式，那么分别和线程安全是否有关呢？

一、饿汉式

先看代码：

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton {

    private Singleton(){

    }

    private static Singleton instance = new Singleton();

    public static Singleton getInstance(){
       return instance;
    }
}

package com.roocon.thread.t5;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        Singleton s3 = Singleton.getInstance();
        Singleton s4 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(s1);
        System.out.println(s1);
        System.out.println(s1);
        System.out.println(s1);
    }
}

运行结果：

com.roocon.thread.t5.Singleton@5cad8086
com.roocon.thread.t5.Singleton@5cad8086
com.roocon.thread.t5.Singleton@5cad8086
com.roocon.thread.t5.Singleton@5cad8086

所谓的饿汉模式：不管是否使用到instance这个实例，我们都在创建的过程中就对它进行实例化。

那么，饿汉模式是否会出现线程安全问题呢？

出现线程安全问题需要满足三个条件：

1.多线程的环境下

2.必须有共享资源

3.对资源进行非原子性操作

根据以上代码，我们发现，使用饿汉式，在调动getInstance方法时，就只干了一件事，那就是返回Instance实例。这个操作是原子性操作。因此，饿汉式不存在线程安全问题。

饿汉式的不足：不管是否需要使用到该实例，在创建的时候就已经实例化了。但其实在程序中根本没有用到该实例变量，就没必要先对它进行实例化。

推荐是在使用它的时候才对它进行实例化，这就是所谓的懒汉式单例模式。

二、懒汉式

先看代码：

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton2 {

    private Singleton2(){

    }

    private static Singleton2 instance;

    public static Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null) {//1：读取instance的值
            instance = new Singleton2();//2: 实例化instance
        }
        return instance;
    }

}

package com.roocon.thread.t5;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class MultiThreadMain {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(20);
        for (int i = 0; i< 20; i++) {
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+Singleton2.getInstance());
                }
            });
        }

　　　　　threadPool.shutdown();
} }

运行结果：

pool-1-thread-4:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-14:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-10:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-8:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-5:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-12:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-1:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-9:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-6:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-2:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-16:com.roocon.thread.t5.Singleton2@6519891a
pool-1-thread-3:com.roocon.thread.t5.Singleton2@1c208db1

发现，有个实例是Singleton2@1c208db1，也就说明，返回的不是同一个实例。这就是所谓的线程安全问题。

解释原因：对于以上代码注释部分，如果此时有两个线程，线程A执行到1处，读取了instance为null，然后cpu就被线程B抢去了，此时，线程A还没有对instance进行实例化。

因此，线程B读取instance时仍然为null，于是，它对instance进行实例化了。然后，cpu就被线程A抢去了。此时，线程A由于已经读取了instance的值并且认为它为null，所以，

再次对instance进行实例化。所以，线程A和线程B返回的不是同一个实例。

那么，如何解决呢？

1.在方法前面加synchronized修饰。这样肯定不会再有线程安全问题。

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton2 {

    private Singleton2(){

    }

    private static Singleton2 instance;

    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null) {//
            instance = new Singleton2();//
        }
        return instance;
    }

}

但是，这种解决方式，假如有100个线程同时执行，那么，每次去执行getInstance方法时都要先获得锁再去执行方法体，如果没有锁，就要等待，耗时长，感觉像是变成了串行处理。因此，尝试其他更好的处理方式。

2. 加同步代码块，减少锁的颗粒大小。我们发现，只有第一次instance为null的时候，才去创建实例，而判断instance是否为null是读的操作，不可能存在线程安全问题，因此，我们只需要对创建实例的代码进行同步代码块的处理，也就是所谓的对可能出现线程安全的代码进行同步代码块的处理。

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton2 {

    private Singleton2(){

    }

    private static Singleton2 instance;

    public static Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton2.class){
                instance = new Singleton2();
            }
        }
        return instance;
    }

}

但是，这样处理就没有问题了吗？同样的原理，线程A和线程B，线程A读取instance值为null，此时cpu被线程B抢去了，线程B再来判断instance值为null，于是，它开始执行同步代码块中的代码，对instance进行实例化。此时，线程A获得cpu，由于线程A之前已经判断instance值为null，于是开始执行它后面的同步代码块代码。它也会去对instance进行实例化。

这样就导致了还是会创建两个不一样的实例。

那么，如何解决上面的问题。

很简单，在同步代码块中instance实例化之前进行判断，如果instance为null，才对其进行实例化。这样，就能保证instance只会实例化一次了。也就是所谓的双重检查加锁机制。

再次分析上面的场景：

线程A和线程B，线程A读取instance值为null，此时cpu被线程B抢去了，线程B再来判断instance值为null。于是，它开始执行同步代码块代码，对instance进行了实例化。这是线程A获得cpu执行权，当线程A去执行同步代码块中的代码时，它再去判断instance的值，由于线程B执行完后已经将这个共享资源instance实例化了，所以instance不再为null，所以，线程A就不会再次实行实例化代码了。

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton2 {

    private Singleton2(){

    }

    private static Singleton2 instance;

    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton2.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton2();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

但是，双重检查加锁并不代码百分百一定没有线程安全问题了。因为，这里会涉及到一个指令重排序问题。instance = new Singleton2()其实可以分为下面的步骤：

1.申请一块内存空间；

2.在这块空间里实例化对象；

3.instance的引用指向这块空间地址；

指令重排序存在的问题是：

对于以上步骤，指令重排序很有可能不是按上面123步骤依次执行的。比如，先执行1申请一块内存空间，然后执行3步骤，instance的引用去指向刚刚申请的内存空间地址，那么，当它再去执行2步骤，判断instance时，由于instance已经指向了某一地址，它就不会再为null了，因此，也就不会实例化对象了。这就是所谓的指令重排序安全问题。那么，如何解决这个问题呢？

加上volatile关键字，因为volatile可以禁止指令重排序

package com.roocon.thread.t5;

public class Singleton2 {

    private Singleton2(){

    }

    private static volatile Singleton2 instance;

    public static Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton2.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton2();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

参考资料：

《java并发编程与实战》 龙果学院