Java多线程基础-8：单例模式及其线程安全问题（一）+ https://developer.aliyun.com/article/1520523?spm=a2c6h.13148508.setting.14.61564f0e0MYpBx
三、线程安全问题
1、懒汉模式--线程不安全，饿汉模式--线程安全
在Java多线程编程中，非常重要的一个问题就是线程安全问题。上述提到的两个代码，是线程安全的吗？即，多个线程下调用getInstance()是否会出现问题？
结论是：饿汉模式是线程安全的，而懒汉模式不是线程安全的。
比对线程不安全的原因：线程安全问题及解决措施
线程的抢占式执行。
多个线程修改同一变量。
修改操作不是原子的。
内存可见性问题。
指令重排序。
这里，引起懒汉模式线程不安全的最直接原因，是多个线程修改同一变量。
在饿汉模式的getInstance()中，只是单纯地读操作（return），不涉及修改。而懒汉模式的getInstance()中有一个这样的操作：先判定是否为null，再进行修改，再返回。
很明显，这里包含了修改的操作。上面的懒汉模式代码在多线程下，可能无法保证创建对象的唯一性。如下图情况中，t1和t2都会执行到对象创建的代码，从而创建出多份对象。
多创建一个对象，听起来似乎问题不大，其实不然。对象是有大有小的，有些对象管理的内存数据可能会很多，甚至可能多达几百G。如果n个线程一起调用，创建出了n个这样大的对象，后果是非常严重的。
2、初步解决：懒汉模式的线程安全问题
深入来说，引起上述问题的原因是if判定操作与修改操作不是原子的。可以通过加锁来解决这个问题。
但是，考虑到多线程代码的复杂性，不是在代码中任意写个加锁，就一定线程安全了。如下面代码所示：将synchronized加在了new对象的操作上，且以类对象作为锁对象。这样的加锁方式是不可行的，因为原代码出现线程不安全原因就是因为if判定操作与new操作不是原子的，而只把锁加载new操作上，并不能保证if判定操作和修改操作整体的原子性。
因此，应该把if操作也放到锁里，才能保证判定和new是一个原子操作。
//获取instance实例 public static SingletonLazy getInstance() { synchronized (SingletonLazy.class) { if (instance == null) { instance = new SingletonLazy(); } } return instance; }
当然，也可以直接将锁加在方法上，直接保证整个方法都是原子的。
//获取instance实例 synchronized public static SingletonLazy getInstance() { if (instance == null) { instance = new SingletonLazy(); } return instance; }
3、代码问题-1：加锁导致程序效率低——解决：更改加锁的位置
在之前线程安全的篇章中提到过，加锁其实是一种非常低效的方式，因为加锁意味着会出现阻塞等待。事实上，应该“非必要，不加锁”。而我们上述的加锁方式中存在一个问题：不管什么时候调用getInstance()，都会触发锁的竞争。
然而其实，此处的线程不安全只发生在首次创建对象这里。一旦对象new好了，后续再调用getInstance()，就是单纯的读操作，就没有线程安全问题了，也就没必要再加锁了。
怎么优化呢？我们就需要针对加锁再做一次判定：
什么时候需要加锁？——对象为空的时候。
因此，要再加一层if判断，用于判断需要加锁的情况：
//获取instance实例 public static SingletonLazy getInstance() { // 这个条件用于判断是否要加锁 // 如果对象已经有了，就不必加锁了，此时本身就是线程安全的 if(instance == null) { synchronized (SingletonLazy.class) { if (instance == null) { instance = new SingletonLazy(); } } } return instance; }
注意这两个if(instance == null)代码的辨析：
并且，虽然这俩代码是挨着的，但是实际上它们执行的时机差别会很大。
按照我们在单线程代码中的理解，如果两行代码紧挨着，那么执行的时候，这两行代码会被迅速执行完，可以近似地看作它们是同一时机被执行。
但是，在多线程且上述两个if判断间隔着一层synchronized加锁的情况下，就不能简单地这样理解了。
加锁就可能导致线程阻塞，而等到线程阻塞被接触时，可能早已是“沧海桑田”。换句话说，这两行代码虽然看起来是相邻的，但它们执行的时间间隔可能会非常长。虽然两个条件代码完全相同，但若调用的时间间隔长了，判断结果也可能会不同。
比如在一个线程执行时，刚开始instance为null，第一个if判定成立，进入外层if；接下来获取锁时却发现，锁已经被别的线程获取了，那么这个线程此时就只能阻塞等待；等到这个线程结束阻塞、再往下走的时候，instance却已经被别的线程创建好了，不再为null，那么第二个条件判定就不成立了；该线程不会进入第二层if，也就不会重复再new一个对象了。
4、代码问题-2：new操作引发指令重排序——解决：以volatile修饰
在之前线程安全的篇章中提到过，指令重排序也可能导致线程不安全。new操作包括3个步骤：1、创建内存；2、调用构造方法；3、把地址赋值给引用。这其中就可能存在指令重排序：步骤2和步骤3的顺序可以调换。
如果程序按照 1-3-2 的方式执行new操作，就可能出现问题：
若instance为null，当t1线程执行完1和3这两个步骤后，线程突然被调度到t2；t2再去判定条件，但由于在t1中instance已经获取了内存地址，因此instance非null，条件不成立，会直接返回实例的引用。此时，t2拿到的是一个没装修过的毛坯房。
如果接下来t2继续毛坯房的后续方法，可能都是将错就错了。
总而言之，这样的线程调度时机，可能导致t2拿到的实例是不完整的，从而就出现问题了。虽然这个过程是一个极端小概率的情况，但在服务器高并发、大数据的情况下，一旦出问题，后果仍然是非常严重的。
如何解决这个问题？很简单，将instance加上volatile即可。volatile可以禁止指令重排序。
//加上volatile volatile private static SingletonLazy instance = null; //获取instance实例 public static SingletonLazy getInstance() { // 这个条件用于判断是否要加锁 // 如果对象已经有了，就不必加锁了，此时本身就是线程安全的 if(instance == null) { synchronized (SingletonLazy.class) { if (instance == null) { instance = new SingletonLazy(); } } } return instance; }
补充：这里是否涉及到内存可见性问题是存疑的。内存可见性问题的发生是由于编译器优化掉了寄存器从内存中load的这一操作，从而使得每一次读取数据的时并没有真正从内存中读取，而是只从寄存器中读取。在一个线程频繁写，一个线程频繁读的情况下，可能会出现内存可见性的问题。但是，上述代码是否涉及“频繁读”？假设N个线程一起调用，是否就相当于读了N次，这样不就会触发编译器的优化操作？
这其实是不一定的。因为每一个线程，会有自己的一套寄存器，这其中是否会出现内存安全性问题，是很难确定的。
四、***小结：单例模式的线程安全问题
- 饿汉模式：天然就是安全的，只是读操作。
- 懒汉模式：不安全的有读操作，也有写操作。如何保证懒汉模式的线程安全问题：
- 加锁，把 if 和 new 变成原子操作。
- 双重 if，减少不必要的加锁操作。
- 使用 volatile 禁止指重排序，保证后续线程肯定拿到的是完整对象。
