多线程 双重检查锁详解

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一、未加锁的单例

懒汉模式实现

java 复制代码
public class Singleton {
    
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {
    }
    
    public Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }    
}

这是一个最简单的单例模式,在单线程下运转良好。但在多线程下会出现明显的问题,可能会创建多个实例。

可以看到,当两个线程同时执行时,是有可能会创建多个实例的,这很明显不符合单例的要求。

二、加锁单例

java 复制代码
public class Singleton {
    
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {
    }
    
    public synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

与第一个示例唯一的区别是在方法上添加了synchronized关键字。这时,当多个线程进入该方法时,需要先获得锁才能进行执行。

  1. 通过在方法上添加synchronized关键字,看似完美的解决了多线程的问题,但却带了性能问题

  2. 我们知道使用锁会导致额外的性能开销,对于上面的单例模式,只有第一次创建时需要锁(防止创建多个实例),但查询时是不需要锁的

  3. 如果针对方法进行加锁,每次查询也要承担加锁的性能损耗

三、双重检查锁

java 复制代码
public class Singleton {
    
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {
    }
    
    public Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
  1. 缩小锁的范围;

  2. 锁之前先判断一下是不是null,如果不为null,说明已经实例化了,直接返回,没必要进行创建;

  3. 如果为null,进行加锁,然后再次判断是否为null。为什么要再次判断?因为一个线程判断为null之后,另外一个线程可能已经创建了对象,所以在锁定之后,需要再次核实一下,真的为null,则进行对象创建。

改进之后,既保证了线程的安全性,又避免了锁导致的性能损失。问题到此结束了吗?并没有,继续往下看

四、JVM的指令重排

在JVM当中,编译器为了性能问题,会进行指令重排。

在上述代码中new Singleton()并不是原子操作,有可能会被编译器进行重排操作。

当线程A执行完步骤赋值操作,但还未执行对象初始化。此时,线程B进来了,在第一层判断时发现Instance已经有值了(实际上还未初始化),直接返回对应的值。那么,程序在使用这个未初始化的值时,便会出现错误。

针对此问题,可在instance上添加volatile关键字,使得instance在读、写操作前后都会插入内存屏障,避免重排序。

最终,单例模式实现如下:

java 复制代码
public class Singleton {
    
    private static volatile Singleton instance;
    
    private Singleton() {
    }
    
    public Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

五、总结

  • 未加锁单例模式使用,会创建多个对象
  • 方法上加锁,导致性能下降
  • 代码内局部加锁,双重判断,既满足线程安全,又满足性能需求
  • 单例模式特例:创建对象分多步,会出现指令重排现象,采用volatile进行避免指令重排;
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