面试问到DCL失效不知所措

原创已于 2022-12-22 12:02:03 修改 · 342 阅读

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#java #面试 #设计模式

于 2022-12-12 09:15:09 首次发布

本文介绍单例模式及双重检查锁(DCL)的实现方法。通过具体代码示例，解析DCL如何确保线程安全地实现懒加载，并探讨volatile关键字的作用。

背景

最近在学习设计模式的时候看到了单例模式，里面还是有很多内容的，比如双重检查锁方式实现的单例模式，就是一个面试考点，接下来我们就来详细说说。

单例模式

单例模式很简单，就是在构造函数中多了加一个构造函数，访问权限是 private 的就可以了，这个模式是简单，但有时候简单的东西也很容易出问题。在高并发的项目中，每个请求都要创建同一个单例对象。如果没有控制好，创建了多个单例对象，那就会导致业务逻辑混乱，数据一致性校验失败等复杂的问题，而且难以排查。为了解决这一问题，我们可以使用双重检查锁实现单例模式。

单例模式-双重检查锁（DCL，即 double-checked locking）

实现代码如下：

package com.hsy.demo;

/**
 * 懒汉单例
 *
 * 优点：懒加载，线程安全，效率较⾼
 * 缺点：实现较复杂
 *
 * @date 2022-04-01 11:08:26
 * @since
 */
public class LazySingletonDCL {
    /**
     * 私有构造函数
     *
     * @param
     * @author Huangshaoyang
     * @date 2022-04-01 11:04:10
     * @since
     */
    private LazySingletonDCL() {
    }

    /**
     * 定义⼀个静态变量指向⾃⼰类型
     *
     * volatile 避免DCL 失效
     */
    private volatile static LazySingletonDCL lazySingleton = null;


    /**
     * 获取实例方法
     *
     * @param
     * @author Huangshaoyang
     * @date 2022-04-01 10:04:33
     * @since
     */
    public static LazySingletonDCL getLazySingleton() {
        // 第⼀重检查是否为 null
        if (lazySingleton == null) {
            // 使⽤ synchronized 加锁
            synchronized (LazySingletonDCL.class) {
                // 第二重检查是否为 null
                if (lazySingleton == null) {
                    lazySingleton = new LazySingletonDCL();
                }
            }
        }
        return lazySingleton;
    }

}

这种实现方式的优点：懒加载，线程安全，效率较⾼

这种实现方式的缺点：实现较复杂

实现原理

这⾥的双重检查是指两次⾮空判断，锁指的是 synchronized 加锁，为什么要进⾏双重判断，其实很简单，第⼀重判断，如果实例已经存在，那么就不再需要进⾏同步操作，⽽是直接返回这个实例，如果没有创建，才会进⼊同步块，同步块的⽬的与之前相同，⽬的是为了防⽌有多个线程同时调⽤时，导致⽣成多个实例，有了同步块，每次只能有⼀个线程调⽤访问同步块内容，当第⼀个抢到锁的调⽤获取了实例之后，这个实例就会被创建，之后的所有调⽤都不会进⼊同步块，直接在第⼀重判断就返回单例。

关于内部的第⼆重空判断的作⽤，当多个线程⼀起到达锁位置时，进⾏锁竞争，其中⼀个线程获取锁，如果是第⼀次进⼊则为 null，会进⾏单例对象的创建，完成后释放锁，其他线程获取锁后就会被空判断拦截，直接返回已创建的单例对象。

其中最关键的⼀个点就是 volatile 关键字的使⽤，关于 volatile 的详细介绍可以直接搜索 volatile 关键字即可，有很多写的⾮常好的⽂章，这⾥不做详细介绍。

简单说明⼀下，双重检查锁中使⽤ volatile 的两个重要特性：可⻅性、禁⽌指令重排序。

这⾥为什么要使用volatile ？

这是因为 new 关键字创建对象不是原⼦操作，创建⼀个对象会经历下⾯的步骤：

在堆内存开辟内存空间
调⽤构造⽅法，初始化对象
引⽤变量指向堆内存空间

对应字节码指令如下：

9: astore_0
10: monitorenter  #synchronized锁
11: getstatic
14: ifnonnull
17：new
20：dup
21：invokespecial
24：putstatic
27: aload_0
28: monitorexit
29: goto

为了提⾼性能，编译器和处理器常常会对既定的代码执⾏顺序进⾏指令重排序，从源码到最终执⾏指令会经历如下流程：

1、源码

2、编译器优化重排序

3、指令级并⾏重排序

4、内存系统重排序

5、最终执⾏指令序列

所以经过指令重排序之后，创建对象的执⾏顺序可能为17、21、24或者17、24、21，因此当某个线程在乱序运⾏17、24、21指令的时候，引⽤变量指向堆内存空间，这个对象不为 null，但是没有初始化，其他线程有可能这个时候进⼊了 getInstance 的第⼀个 if(instance == null) 判断不为 nulll ，导致错误使用了没有初始化的非空实例，这样的话就会出现异常，这个就是著名的DCL 失效问题。

当我们在引⽤变量上⾯添加 volatile 关键字以后，会通过在创建对象指令的前后添加内存屏障来禁⽌指令重排序，就可以避免这个问题，⽽且对volatile 修饰的变量的修改对其他任何线程都是可⻅的。