Java多线程之单例模式在多线程环境下的安全问题

参考链接： Java中的Singleton/单例类

Java多线程之单例模式在多线程环境下的安全问题 

目录： 

单例模式基本概念单线程下的单例模式多线程下的单例模式单例模式volatile分析 

1. 单例模式基本概念 

 基本概念转载自：单例模式|菜鸟教程 

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。 

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。 

注意： 

单例类只能有一个实例。单例类必须自己创建自己的唯一实例。单例类必须给所有其他对象提供这一实例。 

意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。 

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。 

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。 

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。 

关键代码：构造函数是私有的。 

应用实例： 

一个班级只有一个班主任。Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。 

优点： 

在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。 缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。 

使用场景： 

要求生产唯一序列号。WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。 

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。 

2. 单线程下的单例模式 

1. 单线程下单例模式代码 

public class SingletonDemo {

    private static SingletonDemo instance = null;

    private SingletonDemo(){

        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 我是构造方法SingletonDemo");

    }

    public static SingletonDemo getInstance(){

        if (instance == null){

            instance = new SingletonDemo();

        }

        return instance;

    }

    public static void main(String[] args) {

        // 单线程（main线程的操作动作）

        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());

        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());

        System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());

    }

}

2. 编译结果  

3. 多线程下的单例模式 

多线程下，上面的代码执行结果不再是单例，结果如下（不固定） 

 2.解决办法，可以在getInstance()方法上加synchronized，但是不推荐。更好的解决办法是使用DCL(Double Check Lock 双端捡锁机制） 

代码如下： 

public class SingletonDemo {

    private static SingletonDemo instance = null;

    private SingletonDemo() {

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 我是构造方法SingletonDemo");

    }

    //DCL  (Double Check Lock 双端捡锁机制）

    public static SingletonDemo getInstance() {

        if (instance == null) {

            synchronized (SingletonDemo.class) {

                if (instance == null) {

                    instance = new SingletonDemo();

                }

            }

        }

        return instance;

    }

    public static void main(String[] args) {

        //并发多线程后，情况发生了很大的变化

        for (int i = 1; i <= 20; i++) {

            new Thread(() -> {

                SingletonDemo.getInstance();

            }, String.valueOf(i)).start();

        }

    }

}

4. 单例模式volatile分析 

上面多线程下单例模式在99.9%情况下都正确，但还是不能保证完全正确。因为在多线程环境下，底层为了优化有指令重排。解决办法：加入volatile。 

代码如下 

public class SingletonDemo {

    private static volatile SingletonDemo instance = null;

    private SingletonDemo() {

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 我是构造方法SingletonDemo");

    }

    //DCL  (Double Check Lock 双端捡锁机制）

    public static SingletonDemo getInstance() {

        if (instance == null) {

            synchronized (SingletonDemo.class) {

                if (instance == null) {

                    instance = new SingletonDemo();

                }

            }

        }

        return instance;

    }

    public static void main(String[] args) {

        //并发多线程后，情况发生了很大的变化

        for (int i = 1; i <= 20; i++) {

            new Thread(() -> {

                SingletonDemo.getInstance();

            }, String.valueOf(i)).start();

        }

    }

}

 具体分析： DCL（双端检锁）机制不一定线程安全，原因是有指令重排序的存在，加入volatile可以禁止指令重排。 原因在于某一个线程执行到第一次检测，读取到的instance不为null时，instance的引用对象可能没有完成初始化。 instance=newSingDemo()；可以分为以下3步完成（伪代码） memory=allocate(): // 1.分配对象内存空间 instance(memory): // 2.初始化对象 instance=memory; //3. 设置instance指向刚分配的内存地址，此时instance != null 步骤2和步骤3不存在数据依赖关系，而且无论重排前还是重排后程序的执行结果在单线程中并没有改变，因此这种重排优化是允许的。 memory=allocate();//1．分配对象内存空间 instance=memory;//3．设置ins怡nce指向刚分配的内存地址，此时instance != null,但是对象还没有初始化完成！ instance(memory);//2．初始化对象 但是指令重排只会保证串行语义执行的一致性（单线程），但并不会关心多线程间的语义一致性。 所以当一个线程访问instance不为null时，由于instance实例未必已初始化完成，也就造成了线程安全问题