DCL单例模式

痛定思痛。 2021-06-22 15:37 563阅读 0赞

我们第一次写的单例模式是下面这样的：

public class Singleton {
        private static Singleton instance = null;
        public static Singleton getInstance() {
            if(null == instance) {                    // line A
                instance = new Singleton();        // line B
            }
            
            return instance;
            
        }
    }

假设这样的场景：两个线程并发调用Singleton.getInstance()，假设线程一先判断instance是否为null，即代码中line A进入到line B的位置。刚刚判断完毕后，JVM将CPU资源切换给线程二，由于线程一还没执行line B，所以instance仍然为空，因此线程二执行了new Singleton()操作。片刻之后，线程一被重新唤醒，它执行的仍然是new Singleton()操作，这样问题就来了，new出了两个instance，这还能叫单例吗？

紧接着，我们再做单例模式的第二次尝试：

public class Singleton {
        private static Singleton instance = null;
        public synchronized static Singleton getInstance() {
            if(null == instance) {                    
                instance = new Singleton();            
            }
            
            return instance;
            
        }
    }

比起第一段代码仅仅在方法中多了一个synchronized修饰符，现在可以保证不会出线程问题了。但是这里有个很大（至少耗时比例上很大）的性能问题。**除了第一次调用时是执行了Singleton的构造函数之外，以后的每一次调用都是直接返回instance对象。返回对象这个操作耗时是很小的，绝大部分的耗时都用在synchronized修饰符的同步准备上，因此从性能上来说很不划算**。

继续把代码改成下面这样：

public class Singleton {
        private static Singleton instance = null;
        public  static Singleton getInstance() {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(null == instance) {                    
                    instance = new Singleton();            
                }
            }
            
            return instance;
            
        }
    }

基本上，把synchronized移动到代码内部是没有什么意义的，每次调用getInstance()还是要进行同步。同步本身没有问题，但是我们只希望在第一次创建instance实例的时候进行同步，因此有了下面的写法——**双重锁定检查（DCL,Double Check Lock）**。

public class Singleton {
        private static Singleton instance = null;
        public  static Singleton getInstance() {
            if(null == instance) {    // 线程二检测到instance不为空
                synchronized (Singleton.class) {
                    if(null == instance) {                    
                        instance = new Singleton();    // 线程一被指令重排，先执行了赋值，但还没执行完构造函数（即未完成初始化）    
                    }
                }
            }
            
            return instance;    // 后面线程二执行时将引发：对象尚未初始化错误
            
        }
    }

看样子已经达到了要求，除了第一次创建对象之外，其它的访问在第一个if中就返回了，因此不会走到同步块中，已经完美了吗？

如上代码段中的注释：假设线程一执行到instance = new Singleton()这句，这里看起来是一句话，但实际上其被编译后在JVM执行的对应会变代码就发现，这句话被编译成8条汇编指令，大致做了三件事情：

1）给instance实例分配内存；

2）初始化instance的构造器；

3）将instance对象指向分配的内存空间（注意到这步时instance就非null了）

**如果指令按照顺序执行倒也无妨，但JVM为了优化指令，提高程序运行效率，允许指令重排序**。如此，在程序真正运行时以上指令执行顺序可能是这样的：

a）给instance实例分配内存；

b）将instance对象指向分配的内存空间；

c）初始化instance的构造器；

这时候，当线程一执行b）完毕，在执行c）之前，被切换到线程二上，这时候instance判断为非空，此时线程二直接来到return instance语句，拿走instance然后使用，接着就顺理成章地报错（**对象尚未初始化**）。

**具体来说就是synchronized虽然保证了线程的原子性（即synchronized块中的语句要么全部执行，要么一条也不执行），但单条语句编译后形成的指令并不是一个原子操作（即可能该条语句的部分指令未得到执行，就被切换到另一个线程了）**。

根据以上分析可知，**解决这个问题的方法是：禁止指令重排序优化，即使用volatile变量**。

public class Singleton {
        private volatile static Singleton instance = null;
        public  static Singleton getInstance() {
            if(null == instance) {    
                synchronized (Singleton.class) {
                    if(null == instance) {                    
                        instance = new Singleton();        
                    }
                }
            }
            
            return instance;    
            
        }
    }

将变量instance使用volatile修饰即可实现单例模式的线程安全。