Java多线程基础-8:单例模式及其线程安全问题(二)

简介: 单例模式是软件设计模式之一,确保一个类只有一个实例并提供全局访问点。


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:
  1. 加锁,把 if 和 new 变成原子操作。


  1. 双重 if,减少不必要的加锁操作。


  1. 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。


目录
打赏
0
0
0
0
31
分享
相关文章
|
1月前
|
Java—多线程实现生产消费者
本文介绍了多线程实现生产消费者模式的三个版本。Version1包含四个类:`Producer`(生产者)、`Consumer`(消费者)、`Resource`(公共资源)和`TestMain`(测试类)。通过`synchronized`和`wait/notify`机制控制线程同步,但存在多个生产者或消费者时可能出现多次生产和消费的问题。 Version2将`if`改为`while`,解决了多次生产和消费的问题,但仍可能因`notify()`随机唤醒线程而导致死锁。因此,引入了`notifyAll()`来唤醒所有等待线程,但这会带来性能问题。
Java—多线程实现生产消费者
Java 多线程 面试题
Java 多线程 相关基础面试题
Java多线程——synchronized、volatile 保障可见性
Java多线程中,`synchronized` 和 `volatile` 关键字用于保障可见性。`synchronized` 保证原子性、可见性和有序性,通过锁机制确保线程安全;`volatile` 仅保证可见性和有序性,不保证原子性。代码示例展示了如何使用 `synchronized` 和 `volatile` 解决主线程无法感知子线程修改共享变量的问题。总结:`volatile` 确保不同线程对共享变量操作的可见性,使一个线程修改后,其他线程能立即看到最新值。
Java多线程是什么
Java多线程简介:本文介绍了Java中常见的线程池类型,包括`newCachedThreadPool`(适用于短期异步任务)、`newFixedThreadPool`(适用于固定数量的长期任务)、`newScheduledThreadPool`(支持定时和周期性任务)以及`newSingleThreadExecutor`(保证任务顺序执行)。同时,文章还讲解了Java中的锁机制,如`synchronized`关键字、CAS操作及其实现方式,并详细描述了可重入锁`ReentrantLock`和读写锁`ReadWriteLock`的工作原理与应用场景。
深入理解Java中synchronized三种使用方式:助您写出线程安全的代码
`synchronized` 是 Java 中的关键字,用于实现线程同步,确保多个线程互斥访问共享资源。它通过内置的监视器锁机制,防止多个线程同时执行被 `synchronized` 修饰的方法或代码块。`synchronized` 可以修饰非静态方法、静态方法和代码块,分别锁定实例对象、类对象或指定的对象。其底层原理基于 JVM 的指令和对象的监视器,JDK 1.6 后引入了偏向锁、轻量级锁等优化措施,提高了性能。
61 3
|
1月前
|
Java多线程编程秘籍:各种方案一网打尽,不要错过!
Java 中实现多线程的方式主要有四种:继承 Thread 类、实现 Runnable 接口、实现 Callable 接口和使用线程池。每种方式各有优缺点,适用于不同的场景。继承 Thread 类最简单,实现 Runnable 接口更灵活,Callable 接口支持返回结果,线程池则便于管理和复用线程。实际应用中可根据需求选择合适的方式。此外,还介绍了多线程相关的常见面试问题及答案,涵盖线程概念、线程安全、线程池等知识点。
185 2
Java多线程编程中的陷阱与最佳实践####
本文探讨了Java多线程编程中常见的陷阱,并介绍了如何通过最佳实践来避免这些问题。我们将从基础概念入手,逐步深入到具体的代码示例,帮助开发者更好地理解和应用多线程技术。无论是初学者还是有经验的开发者,都能从中获得有价值的见解和建议。 ####
|
1月前
|
Java中的多线程编程与并发控制
本文深入探讨了Java编程语言中多线程编程的基础知识和并发控制机制。文章首先介绍了多线程的基本概念,包括线程的定义、生命周期以及在Java中创建和管理线程的方法。接着,详细讲解了Java提供的同步机制,如synchronized关键字、wait()和notify()方法等,以及如何通过这些机制实现线程间的协调与通信。最后,本文还讨论了一些常见的并发问题,例如死锁、竞态条件等,并提供了相应的解决策略。
68 3
Java多线程并发编程:同步机制与实践应用
本文深入探讨Java多线程中的同步机制,分析了多线程并发带来的数据不一致等问题,详细介绍了`synchronized`关键字、`ReentrantLock`显式锁及`ReentrantReadWriteLock`读写锁的应用,结合代码示例展示了如何有效解决竞态条件,提升程序性能与稳定性。
273 6
Java中的多线程编程:从基础到实践
本文深入探讨了Java多线程编程的核心概念和实践技巧,旨在帮助读者理解多线程的工作原理,掌握线程的创建、管理和同步机制。通过具体示例和最佳实践,本文展示了如何在Java应用中有效地利用多线程技术,提高程序性能和响应速度。
81 1

热门文章

最新文章

AI助理

你好,我是AI助理

可以解答问题、推荐解决方案等