1 單例模式
大家對單例模式并不會陌生，當(dāng)創(chuàng)建一個對象需要消耗比較多資源時，例如創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接和消息服務(wù)端等等，這時我們選擇只創(chuàng)建一份這種類型的對象并在進(jìn)程內(nèi)共享。
但是單例模式想要寫好并不容易，我們寫多個版本的單例模式看看每個版本都有什么問題。
1.1 版本一
這個版本問題非常明顯：多個線程可能同時執(zhí)行到語句1，而此時myConnection都為空，造成連接對象被多次創(chuàng)建。
public?class?MySimpleConnection?{
????private?static?MySimpleConnection?myConnection?=?null;
????private?MySimpleConnection()?{
????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?->?init?connection");
????}
????public?static?MySimpleConnection?getConnection()?{
????????if?(null?==?myConnection)?{?//?語句1
????????????myConnection?=?new?MySimpleConnection();
????????}
????????return?myConnection;
????}
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?10;?i++)?{
????????????new?Thread(()?->?{
????????????????MySimpleConnection.getConnection();
????????????},?"threadName"?+?i).start();
????????}
????}
}
執(zhí)行結(jié)果可以看出連接被創(chuàng)建多次：
threadName1?->?init?connection
threadName4?->?init?connection
threadName3?->?init?connection
threadName2?->?init?connection
threadName0?->?init?connection
1.2 版本二
這個版本在getConnection方法增加了同步關(guān)鍵字，可以正確處理同步問題，程序執(zhí)行正確符合預(yù)期，但是將同步關(guān)鍵詞加在方法上鎖粒度較大，可能會影響性能。
public?class?MySynchronizeConnection?{
????private?static?MySynchronizeConnection?myConnection?=?null;
????private?MySynchronizeConnection()?{
????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?->?init?connection");
????}
????public?static?synchronized?MySynchronizeConnection?getConnection()?{
????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????myConnection?=?new?MySynchronizeConnection();
????????}
????????return?myConnection;
????}
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?10;?i++)?{
????????????new?Thread(()?->?{
????????????????MySynchronizeConnection.getConnection();
????????????},?"threadName"?+?i).start();
????????}
????}
}
執(zhí)行結(jié)果正確符合預(yù)期：
threadName0?->?init?connection
1.3 版本三
這個版本采用DCL（Double Check lock）雙重檢查鎖，縮小了同步鎖粒度，性能會有所提升。
public?class?MyDCLConnection?{
????private?static?MyDCLConnection?myConnection?=?null;
????private?MyDCLConnection()?{
????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?->?init?connection");
????}
????public?static?MyDCLConnection?getConnection()?{
????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????synchronized?(MyDCLConnection.class)?{
????????????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????????????myConnection?=?new?MyDCLConnection();
????????????????}
????????????}
????????}
????????return?myConnection;
????}
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?10;?i++)?{
????????????new?Thread(()?->?{
????????????????MyDCLConnection.getConnection();
????????????},?"threadName"?+?i).start();
????????}
????}
}
這段代碼看似沒有問題了，但是其實有一個嚴(yán)重問題：這段代碼有可能引發(fā)空指針異常，也就是調(diào)用getConnection方法會拿到一個空對象。
你可能會說不對，我們不是判斷了當(dāng)連接不為空時才獲取連接嗎？怎么會拿到一個空對象呢？這就引出我們下一個話題：指令重排。
2 指令重排
在JVM編譯代碼時或者CPU執(zhí)行JVM字節(jié)碼時，為了提升性能可能對代碼進(jìn)行指令重排，也就是說代碼執(zhí)行順序不一定是代碼編寫順序。
指令重排目的是為了在不改變程序運行結(jié)果的前提下，優(yōu)化程序運行效率，其中不改變運行結(jié)果是指在單線程場景下。
我們分析一個指令重排實例。
public?void?test()?{
????int?a?=?1;?//?語句1
????int?b?=?2;?//?語句2
????a?=?a?+?1;?//?語句3
????b?=?b?*?2;?//?語句4
}
這段代碼執(zhí)行順序可能如下：
1234
1243
1324
2134
2143
2413
我們思考一下語句3和語句4會不會第一個執(zhí)行？答案是不會。在進(jìn)行指令重排時必須要考慮數(shù)據(jù)依賴性。
語句3依賴語句1，語句4依賴語句2，所以語句3和語句4不會第一個執(zhí)行。這也告訴我們?nèi)绻Z句之間沒有依賴關(guān)系就可能發(fā)生指令重排。
指令重排在多線程場景下會產(chǎn)生什么問題呢？我們分析一個多線程指令重排實例。
public?class?MyTest?{
????int?a?=?0;
????boolean?b?=?false;
????public?void?method1()?{
????????a?=?1000;?//?語句1
????????b?=?true;?//?語句2
????}
????public?void?method2()?{
????????if?(b)?{
????????????a?=?a?+?1;?//?語句3
????????????System.out.println(a);
????????}
????}
????
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?10000;?i++)?{
????????????MyTest?test?=?new?MyTest();
????????????new?Thread(()?->?test.method1()).start();
????????????new?Thread(()?->?test.method2()).start();
????????}
????}
}
我們思考一下a最終輸出值是多少？答案是有可能是1或者1001。
-
由于變量a和b不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，所以經(jīng)過指令重排，語句2可能先于語句1執(zhí)行 -
執(zhí)行完語句2后可能還沒有執(zhí)行語句1，method2搶到執(zhí)行機(jī)會執(zhí)行語句3，這時執(zhí)行結(jié)果等于1 -
如果指令不重排，執(zhí)行結(jié)果等于1001
所以在多線程環(huán)境，運行結(jié)果具有不確定性是指令重排可能帶來的問題。
3 回到問題
再回到第一章節(jié)的問題：為什么會出現(xiàn)空指針異常？我們分析這一段代碼。
public?static?MyDCLConnection?getConnection()?{
????if?(null?==?myConnection)?{?//?語句1
????????synchronized?(MyDCLConnection.class)?{
????????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????????myConnection?=?new?MyDCLConnection();?//?語句2
????????????}
????????}
????}
????return?myConnection;?//?語句3
}
我們重點分析語句2，new操作在更細(xì)的層面分為以下三個步驟:
(A)?分配新對象內(nèi)存
(B)?調(diào)用類構(gòu)造器初始化成員變量
(C)?instance被賦為指向新對象的引用
經(jīng)過指令重排可能形成以下新順序：
(A)?分配新對象內(nèi)存
(B)?instance被賦為指向新對象的引用
(C)?調(diào)用類構(gòu)造器初始化成員變量
根據(jù)新順序我們分析一種異常場景：
-
線程1執(zhí)行到語句2，執(zhí)行到instance被賦為指向新對象引用這個步驟，還沒有進(jìn)行初始化對象 -
此時線程2執(zhí)行到語句1，由于instance已經(jīng)被賦為指向新對象的引用，myConnection已經(jīng)不等于null，所以可以執(zhí)行到語句3 -
但是語句3返回的是沒有進(jìn)行初始化的對象，所以使用這個對象就會拋出空指針異常
4 Volatile
上述問題應(yīng)該如何解決呢？本章節(jié)我們來談一談Volatile關(guān)鍵字。Volatile是JVM提供的輕量級同步機(jī)制，具有以下特性：
-
保證可見性 -
不保證原子性 -
保證有序性（禁止指令重排）
其中保證可見性和不保證原子性不在本文進(jìn)行討論，本文我們分析Volatile如何保證有序性。
Volatile禁止指令重排原理是使用了內(nèi)存屏障。內(nèi)存屏障是一種CPU指令，它使CPU或者編譯器對屏障指令之前和之后發(fā)出的內(nèi)存操作執(zhí)行一個排序約束。通過插入內(nèi)存屏障指令，禁止在內(nèi)存屏障指令前后的指令進(jìn)行重排序。內(nèi)存屏障有如下四種類型：
-
LoadLoad -
StoreStore -
LoadStore -
StoreLoad
這樣說有一些抽象，我們結(jié)合代碼進(jìn)行分析，還是使用上文代碼實例，只是不同的是這一次我們新增了Volatile關(guān)鍵字。
public?class?MyTest?{
????int?a?=?0;
????volatile?boolean?b?=?false;
????public?void?method1()?{
????????a?=?1000;?//?語句1
????????b?=?true;?//?語句2
????}
????public?void?method2()?{
????????if?(b)?{
????????????a?=?a?+?1;?//?語句3
????????????System.out.println(a);
????????}
????}
????
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?10000;?i++)?{
????????????MyTest?test?=?new?MyTest();
????????????new?Thread(()?->?test.method1()).start();
????????????new?Thread(()?->?test.method2()).start();
????????}
????}
}
我們將b變量聲明為Volatile，那么在為b賦值即Volatile寫前后會加上如下屏障，從而保證了語句1和語句2執(zhí)行順序不會重排。
volatile?boolean?b?=?false;
public?void?method1()?{
??a?=?1000;?//?語句1
??StoreStore屏障
??b?=?true;?//?語句2
??StoreLoad屏障
}
在JDK5之后Volatile還可以保證對象構(gòu)造是有序的，也就是說new操作如下步驟可以保證有序，這就為我們解決DCL空指針異常提供了思路。
(A)?分配新對象內(nèi)存
(B)?調(diào)用類構(gòu)造器初始化成員變量
(C)?instance被賦為指向新對象的引用
5 解決方案
經(jīng)過上述分析我們可以使用Volatile解決單例DCL空指針異常。
public?class?MyVolatileConnection?{
????private?static?volatile?MyVolatileConnection?myConnection?=?null;
????private?MyVolatileConnection()?{
????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?->?init?connection");
????}
????public?static?MyVolatileConnection?getConnection()?{
????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????synchronized?(MyVolatileConnection.class)?{
????????????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????????????myConnection?=?new?MyVolatileConnection();
????????????????}
????????????}
????????}
????????return?myConnection;
????}
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?10;?i++)?{
????????????new?Thread(()?->?{
????????????????MyVolatileConnection.getConnection();
????????????},?"threadName"?+?i).start();
????????}
????}
}
代碼改動并不大只需在聲明MyConnection變量處加上Volatile關(guān)鍵字。
本文我們從單例模式的一個問題出發(fā)，一步步分析到Volatile關(guān)鍵字原理并最終解決單例模式DCL空指針問題，希望本文對大家有所幫助。
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