并發中單例模式的解法

王晗發布于2019-08-19 11:37 / 3071人閱讀

摘要：如何解救呢作為一個的開發者，對一定不陌生，提到多線程，大部分人想到的都是他后，他的性能提升巨大，解決簡單并發，非常適用。

消耗內存最嚴重的對象創建過程，必須對其進行約束，作為創建型模式的單例模式(Singleton)，始終保持應用程序中某一個實例有且僅有一個，可以很顯著的提升程序性能。

以下將探討singleton的四種實現方式.

 單線程下的Singleton的穩定性是極好的，可分為兩大類：

1.Eager（餓漢型）：類加載時立即創建對象。

public class EagerSingleton {
    //1. 類加載時就立即產生實例對象，通過設置靜態變量被外界獲取
    //2. 并使用private保證封裝安全性
    private static EagerSingleton eagerSingleton  = new EagerSingleton();
    
    //3. 通過構造方法的私有化，不允許外部直接創建對象，確保單例的安全性
    private EagerSingleton(){
    }
    public static EagerSingleton getEagerSingleton(){
        return eagerSingleton;
    }

2.Lazy（懶漢型）：類加載時沒有立即創建對象，等到第一個用戶獲取才進行實例化。

public class LazySingleton {
    //1. 類加載時并沒有創建唯一實例
    private static LazySingleton lazySingleton;
    
    private LazySingleton() {
    }
        
    //2、提供一個獲取實例的靜態方法
    public static LazySingleton getLazySingleton() {
        if (lazySingleton == null) {
            lazySingleton = new LazySingleton();
        } 
        return lazySingleton;
    }

就性能方面而言，LazySingleton 明顯優于 EagerSingleton ，若類的加載需要耗費大量的資源(e.g. 讀取大文件信息)，那么LazySingleton 的優勢顯而易見。但通過閱讀代碼，很容易發現一個致命問題。多線程間如何保持安全性？

下面將對多線程并發問題進行解析：

解決該問題的關鍵在于兩方面：1.同步;  2.性能；

1.首先我們來解決同步問題 : 為什么會產生同步異常的問題呢？以一個經典例子作為解釋：

         
   有線程A,線程B同時調用getLazySingleton()獲取實例，A調用時判斷instance為null，正準備進行初始化時，突然A線程被掛起了，此時對象并未實例化成功，更糟的事隨后發生，B線程被運行了，他也判斷了instance為null，此時A，B都進入了實例化階段，這樣就產生了兩個實例，破壞單例原則。

如何解救呢？
作為一個java的開發者，對synchronized一定不陌生，提到多線程，大部分人想到的都是他（JDK6后，他的性能提升巨大，解決簡單并發，非常適用）。

那就讓我們用synchronized來嘗試解決吧：

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

如此同步問題看似解決，但是作為一個開發者，最重要的是性能的保障，使用synchronized有利有弊，由于加鎖操作，代碼段被加上悲觀鎖，只有等一個請求完成，下個請求才能進入執行。通常加上synchronized關鍵字的代碼片會比同等量級的代碼慢上幾倍，這是我們不愿見到的。那如何避免這一問題呢？在java對synchronized的定義里有這樣的建議：越遲使用synchronized，性能越優（細化鎖）。

###### 2.因此，我們需要開始解決性能的問題了。按照synchronized優化： ######

public class DoubleCheckLockSingleton {
    //使用volatile保證每次取值不是從緩存中取，而是從真正對應的內存地址中取.（下文解釋）
    private static volatile DoubleCheckLockSingleton doubleCheckLockSingleton;
    
    private DoubleCheckLockSingleton(){
        
    }
    
    public static DoubleCheckLockSingleton getDoubleCheckLockSingleton(){
        //配置雙重檢查鎖（下文解釋）
        if(doubleCheckLockSingleton == null){
            synchronized (DoubleCheckLockSingleton.class) {
                if(doubleCheckLockSingleton == null){
                    doubleCheckLockSingleton = new DoubleCheckLockSingleton();
                }
            }
        }
        return doubleCheckLockSingleton;
    }
}

上述源碼就是經典的volatile關鍵字（JDK1.5 后重生）+雙重檢查鎖（DoubleCheck），最大程度的優化了sychronized帶來的性能開銷。下面將為大家解釋volatile與DoubleCheck。

1.volatile

是在JDK1.5后才正式被實現使用的，之前的版本只是定義了該關鍵字，未有具體實現。若想理解volatile就必須對JVM自身的內存管理有些許了解：

1.1 遵循著摩爾定律，內存的讀寫速度已遠不能滿足CPU，因此現代計算機引入了在CPU上添加高速緩存的機制，由緩存預讀取內存的值，并暫存于緩存中，通過計算，再更新內存中的相應值。

**1.2** 而JVM模仿PC的這一做法，在內存中劃分了自己的**工作內存**，該部分內存作用與高速緩存一致，很顯著的提高JVM工作效率，但凡事都有利有弊，這一做法也導致工作內存與其他內存通信時容易導致傳輸上的問題。volatile的一個功能就是強制的從內存中讀取最新的值，避免緩存與內存不一致的狀況。

1.3 volatile的另一個功能也是和JVM相關，即JVM會通過自身的判斷，將源碼的執行順序重排，保證指令流水線連貫性，以達到最優的執行方案。這種做法提高了性能，但對DoubleCheck卻會產生意想外的結果，兩線程可能互相干擾。而volatile提供了happens-before guarantee（寫優先于讀），使對象不被干擾，保證安全的穩定性。

2.DoubleCheck

這是現代編程的遺留，假設進入同步塊之后，對象已被實例化，此時需再次進行判斷。

當然還有一種官方推薦的單例實現方法：

由于類的構造在定義中已是原子性的，因此上述的各種問題都不會再產生，是一種很好的單例實現方式，推薦使用。

//使用內部類進行單例構造
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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