在實現單例模式時,如果未考慮多線程的情況,就容易寫出下面的錯誤代碼:
public class Singleton {
private static Singleton uniqueSingleton;
private Singleton() {
}
public Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton();
}
return uniqueSingleton;
}
}
在多線程的情況下,這樣寫可能會導致uniqueSingleton
有多個實例。比如下面這種情況,考慮有兩個線程同時調用getInstance()
:
Time | Thread A | Thread B |
---|---|---|
T1 | 檢查到uniqueSingleton 為空 |
|
T2 | 檢查到uniqueSingleton 為空 |
|
T3 | 初始化對象A |
|
T4 | 返回對象A |
|
T5 | 初始化對象B |
|
T6 | 返回對象B |
可以看到,uniqueSingleton
被實例化了兩次並且被不同對象持有。完全違背了單例的初衷。
加鎖
出現這種情況,第一反應就是加鎖,如下:
public class Singleton {
private static Singleton uniqueSingleton;
private Singleton() {
}
public synchronized Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton();
}
return uniqueSingleton;
}
}
這樣雖然解決了問題,但是因為用到了synchronized
,會導致很大的性能開銷,並且加鎖其實只需要在第一次初始化的時候用到,之后的調用都沒必要再進行加鎖。
雙重檢查鎖
雙重檢查鎖(double checked locking)是對上述問題的一種優化。先判斷對象是否已經被初始化,再決定要不要加鎖。
錯誤的雙重檢查鎖
public class Singleton {
private static Singleton uniqueSingleton;
private Singleton() {
}
public Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
synchronized (Singleton.class) {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton(); // error
}
}
}
return uniqueSingleton;
}
}
如果這樣寫,運行順序就成了:
- 檢查變量是否被初始化(不去獲得鎖),如果已被初始化則立即返回。
- 獲取鎖。
- 再次檢查變量是否已經被初始化,如果還沒被初始化就初始化一個對象。
執行雙重檢查是因為,如果多個線程同時了通過了第一次檢查,並且其中一個線程首先通過了第二次檢查並實例化了對象,那么剩余通過了第一次檢查的線程就不會再去實例化對象。
這樣,除了初始化的時候會出現加鎖的情況,后續的所有調用都會避免加鎖而直接返回,解決了性能消耗的問題。
隱患
上述寫法看似解決了問題,但是有個很大的隱患。實例化對象的那行代碼(標記為error的那行),實際上可以分解成以下三個步驟:
- 分配內存空間
- 初始化對象
- 將對象指向剛分配的內存空間
但是有些編譯器為了性能的原因,可能會將第二步和第三步進行重排序,順序就成了:
- 分配內存空間
- 將對象指向剛分配的內存空間
- 初始化對象
現在考慮重排序后,兩個線程發生了以下調用:
Time | Thread A | Thread B |
---|---|---|
T1 | 檢查到uniqueSingleton 為空 |
|
T2 | 獲取鎖 | |
T3 | 再次檢查到uniqueSingleton 為空 |
|
T4 | 為uniqueSingleton 分配內存空間 |
|
T5 | 將uniqueSingleton 指向內存空間 |
|
T6 | 檢查到uniqueSingleton 不為空 |
|
T7 | 訪問uniqueSingleton (此時對象還未完成初始化) |
|
T8 | 初始化uniqueSingleton |
在這種情況下,T7時刻線程B對uniqueSingleton
的訪問,訪問的是一個初始化未完成的對象。
正確的雙重檢查鎖
public class Singleton {
private volatile static Singleton uniqueSingleton;
private Singleton() {
}
public Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
synchronized (Singleton.class) {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton();
}
}
}
return uniqueSingleton;
}
}
為了解決上述問題,需要在uniqueSingleton
前加入關鍵字volatile
。使用了volatile關鍵字后,重排序被禁止,所有的寫(write)操作都將發生在讀(read)操作之前。
至此,雙重檢查鎖就可以完美工作了。
參考資料: