单例模式下引发的线程安全问题

简介: 单例模式确保类在进程中仅有一个实例,适用于如数据库连接等场景。分为饿汉式与懒汉式:饿汉式在类加载时创建实例,简单但可能浪费资源;懒汉式延迟创建实例,需注意线程安全问题,常采用双重检查锁定(Double-Checked Locking)模式,并使用 `volatile` 关键字避免指令重排序导致的问题。

1. 单例模式

在实际开发中希望有的类在一个进程中不应该存在多个实例,此时就可以使用单例模式来限制某个类只能有唯一实例,例如DataSource这个类,一般来说一个程序中只有一个数据库,对应的mysql服务器只有一份,那么就没必要创建多个实例。

1.1. 饿汉式单例

饿汉式单例是在类加载的时候就创建实例,无论是否被使用,下面来看具体实现:

class Singleton {
    //随着类的加载而创建
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private static Object lock = new Object();
    //避免外界new对象
    private Singleton(){};
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}
public class ThreadDemo17 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1 == instance2);
    }
}

这俩个实例地址是一样的,也就是同一个实例,为了防止其他类创建该类对象,构造方法可以设为私有的,但是也顶不住“恶意攻击”

1.2. 懒汉式单例

懒汉式单例是在第一次调用的时候才会创建实例,后续再调用的时候都不会创建实例

class SingletonLazy{
    //此时先把实例的引用指向null,先不创建实例
    private static SingletonLazy instance = null;
    private SingletonLazy(){
    }
    public static SingletonLazy getInstance(){
        //当实例没有创建过才会创建
        if(instance == null){
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
}
public class ThreadDemo18 {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

最终的结果也是和之前一样的

但是如果在多线程环境下是存在一个问题的,如果有线程t1和线程t2,t1执行到if判断时,此时刚好线程切换到t2再进行判断,然后t1创建了实例,由于t2判断的时候也是null,就会再次创建一个实例,这样就存在两个实例,虽然说第二次创建覆盖了第一次的值,第一个实例没有引用指向,很快就会被垃圾回收,但还是认为出现了线程安全问题

这种先判断再修改的代码是一种典型的线程不安全代码,判断和修改之间可能会切换线程

所以说需要加锁,但是这个锁怎么加呢?

正常情况下,我们都会把if和new的操作加锁锁起来,这样做确实可以解决线程安全问题,但是也带来了另一个问题:

第一次创建对象之后,后续再调用getInstance方法都只是单纯的读操作,不加锁也是线程安全的,此后每次调用方法都会加锁,但是也会因为加锁产生阻塞,影响性能,也就是第一次创建实例之后,后续的加锁操作都是没必要的,之前就已经提到过,synchronized使代码线程之后,什么时候恢复是未知的,可能其他线程就把这个值给改了

所以说需要再判断一次,如果实例已经不为空,直接返回就行

public static SingletonLazy getInstance() {
    //当实例没有创建过才会创建
    if (instance == null) {
        synchronized (lock) {
            if (instance == null) {
                instance = new SingletonLazy();
            }
        }
    }
    return instance;
}

但是,上面的代码还是存在问题:

可能会因为指令重排序,引发线程安全问题

instance = new SingletonLazy();

这段代码中创建实例的过程可以粗略的分为3个指令:

  1. 分配内存空间
  2. 执行构造方法
  3. 将对象的引用指向分配的内存空间

指令重排列之后就可能是1,3,2的情况(不管怎么排列都是1先执行),就肯能会发生以下问题

解决办法就是使用volatile关键字:

private static volatile SingletonLazy instance = null;

加上之后就不会再出现指令重排序的问题了

懒汉模式是不会遇到上面发生的问题的

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