Java多線程之單例模式在多線程環境下的安全問題

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目錄：

單例模式基本概念

單線程下的單例模式

多線程下的單例模式

單例模式volatile分析

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1. 單例模式基本概念

基本概念轉載自：單例模式|菜鳥教程

單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡單的設計模式之一。這種類型的設計模式屬于創建型模式，它提供了一種創建對象的最佳方式。

這種模式涉及到一個單一的類，該類負責創建自己的對象，同時確保只有單個對象被創建。這個類提供了一種訪問其唯一的對象的方式，可以直接訪問，不需要實例化該類的對象。

注意：

單例類只能有一個實例。

單例類必須自己創建自己的唯一實例。

單例類必須給所有其他對象提供這一實例。

意圖：保證一個類僅有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點。

主要解決：一個全局使用的類頻繁地創建與銷毀。

何時使用：當您想控制實例數目，節省系統資源的時候。

如何解決：判斷系統是否已經有這個單例，如果有則返回，如果沒有則創建。

關鍵代碼：構造函數是私有的。

應用實例：

一個班級只有一個班主任。

Windows 是多進程多線程的，在操作一個文件的時候，就不可避免地出現多個進程或線程同時操作一個文件的現象，所以所有文件的處理必須通過唯一的實例來進行。

一些設備管理器常常設計為單例模式，比如一個電腦有兩臺打印機，在輸出的時候就要處理不能兩臺打印機打印同一個文件。

優點：

在內存里只有一個實例，減少了內存的開銷，尤其是頻繁的創建和銷毀實例（比如管理學院首頁頁面緩存）。

避免對資源的多重占用（比如寫文件操作）。
缺點：沒有接口，不能繼承，與單一職責原則沖突，一個類應該只關心內部邏輯，而不關心外面怎么樣來實例化。

使用場景：

要求生產唯一序列號。

WEB 中的計數器，不用每次刷新都在數據庫里加一次，用單例先緩存起來。

創建的一個對象需要消耗的資源過多，比如 I/O 與數據庫的連接等。

注意事項：getInstance() 方法中需要使用同步鎖 synchronized (Singleton.class) 防止多線程同時進入造成 instance 被多次實例化。

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2. 單線程下的單例模式

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1. 單線程下單例模式代碼

public class SingletonDemo {private static SingletonDemo instance = null;private SingletonDemo(){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 我是構造方法SingletonDemo");}public static SingletonDemo getInstance(){if (instance == null){instance = new SingletonDemo();}return instance;}public static void main(String[] args) {// 單線程（main線程的操作動作）System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());} }

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2. 編譯結果

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3. 多線程下的單例模式

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多線程下，上面的代碼執行結果不再是單例，結果如下（不固定）

2.解決辦法，可以在getInstance()方法上加synchronized，但是不推薦。更好的解決辦法是使用DCL(Double Check Lock 雙端撿鎖機制）

代碼如下：

public class SingletonDemo {private static SingletonDemo instance = null;private SingletonDemo() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 我是構造方法SingletonDemo");}//DCL (Double Check Lock 雙端撿鎖機制）public static SingletonDemo getInstance() {if (instance == null) {synchronized (SingletonDemo.class) {if (instance == null) {instance = new SingletonDemo();}}}return instance;}public static void main(String[] args) {//并發多線程后，情況發生了很大的變化for (int i = 1; i <= 20; i++) {new Thread(() -> {SingletonDemo.getInstance();}, String.valueOf(i)).start();}} }

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4. 單例模式volatile分析

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上面多線程下單例模式在99.9%情況下都正確，但還是不能保證完全正確。因為在多線程環境下，底層為了優化有指令重排。

解決辦法：加入volatile。

代碼如下

public class SingletonDemo {private static volatile SingletonDemo instance = null;private SingletonDemo() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 我是構造方法SingletonDemo");}//DCL (Double Check Lock 雙端撿鎖機制）public static SingletonDemo getInstance() {if (instance == null) {synchronized (SingletonDemo.class) {if (instance == null) {instance = new SingletonDemo();}}}return instance;}public static void main(String[] args) {//并發多線程后，情況發生了很大的變化for (int i = 1; i <= 20; i++) {new Thread(() -> {SingletonDemo.getInstance();}, String.valueOf(i)).start();}} }

具體分析：

DCL（雙端檢鎖）機制不一定線程安全，原因是有指令重排序的存在，加入volatile可以禁止指令重排。

原因在于某一個線程執行到第一次檢測，讀取到的instance不為null時，instance的引用對象可能沒有完成初始化。

instance=newSingDemo()；可以分為以下3步完成（偽代碼）

memory=allocate(): // 1.分配對象內存空間
instance(memory): // 2.初始化對象
instance=memory; //3. 設置instance指向剛分配的內存地址，此時instance != null

步驟2和步驟3不存在數據依賴關系，而且無論重排前還是重排后程序的執行結果在單線程中并沒有改變，因此這種重排優化是允許的。

memory=allocate();//1．分配對象內存空間
instance=memory;//3．設置ins怡nce指向剛分配的內存地址，此時instance != null,但是對象還沒有初始化完成！
instance(memory);//2．初始化對象

但是指令重排只會保證串行語義執行的一致性（單線程），但并不會關心多線程間的語義一致性。

所以當一個線程訪問instance不為null時，由于instance實例未必已初始化完成，也就造成了線程安全問題

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java多线程之单例模式在多线程环境下的安全问题的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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