单例模式：双重检查+synchronized关键字+volitle关键字

最新推荐文章于 2024-07-12 22:15:28 发布

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分类专栏： Java开发文章标签：双重检查 synchronized volitle

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本文介绍了Java中的单例模式实现，重点探讨了双重检查、synchronized关键字和volatile关键字在单例模式中的作用。通过实例分析了在并发环境下，volatile保证了可见性和一定程度的有序性，但不保证原子性，而synchronized则确保了有序性和原子性，结合使用以确保单例的安全性。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

实现单例模式，有3个要点：

某个类只能有一个实例；
这个实例只能本类自己创建；
创建的这个实例必须向整个系统开放。

为了满足这3个要点，单例模式必须：

在本类中实例化；
构造器必须私有，外界不能通过调用构造器创建对象；
必须对外提供一个静态的方法供外界获取该类的实例。

简单的一个单例模式：双重检查 + synchronized关键字 + volitle关键字如下：

public class Singleton {

    private static volatile Singleton singleton = null;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getSingleton() {

        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

这里面有3个关键点：

1. 用到了关键字volatile；
2. 用到了关键字synchronized；
3. 用到了双重检查if (singleton == null)

来来来，我们给这个单例模式加点料，来分析下，注意在 #0 中，去掉了 volatile：

package com.example;

public class Singleton {

    // 去掉了volatile关键字
    private static Singleton singleton = null; //#0

    public static int count_0 = 0;
    public static int count_1 = 0;
    public static int count_2 = 0;
    public static int count_3 = 0;
    public static int count_3_1 = 0;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getSingleton() {
        count_0++;
        if (singleton == null) { // #1
            count_1++;
            synchronized (Singleton.class) { // #2
                count_2++;
                if (singleton == null) { // #3
                    count_3++;
                    singleton = new Singleton(); // #4
                    System.err.println(Thread.class.getName() + "Singleton is null, it is being instantiated"); // #5
                } else {
                    count_3_1++;
                    System.err.println(Thread.class.getName() + "Singleton is not null, because it has been instantiated"); // #6
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

测试类：

package com.example;

public class SingletonTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int count = 0;
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            count++;
            new Thread(new SingleThread(), "thread" + i + 1).start();
        }

        Thread.sleep(2000);
        System.err.println("count:" + count);

        System.err.println("count_0: " + Singleton.count_0);
        System.err.println("count_1: " + Singleton.count_1);
        System.err.println("count_2: " + Singleton.count_2);
        System.err.println("count_3: " + Singleton.count_3);
        System.err.println("count_3_1: " + Singleton.count_3_1);
    }

    static class SingleThread implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            Singleton.getSingleton();
        }
    }
}

运行结果：

java.lang.ThreadSingleton is null, it is being instantiated
java.lang.ThreadSingleton is not null, because it has been instantiated
java.lang.ThreadSingleton is not null, because it has been instantiated
count:5000
count_0: 4992
count_1: 3
count_2: 3
count_3: 1
count_3_1: 2

运行的结果并不唯一，现在以上面的结果分析下，
#1处检测Singleton实例是否非空，从count_1 = 3，可以看出在这5000个线程中，有3个线程在获取Singleton实例时，实例还没有创建。在#2处，对这个类加锁synchronized，有1个线程获得了锁执行#2后面的代码，另外2个被阻塞在#2外面。获得锁的这个线程于是走过#3 #4 #5 创建了Singleton实例，然后释放了锁。剩下的2个线程中的1个此时获得了锁，另1个依旧阻塞，获得锁的在#3处检测Singleton实例是否非空，由于前面一个线程已经创建了实例，此时来到了#6处，释放锁；最后1个线程也一样。

一切看起来很正常，平常我们也是这么处理单例模式的，双重检查 + synchronized关键字，那为啥又有个volitle关键字出现呢？

其实上面的程序运行，还可能出现类似这样的情况：

java.lang.ThreadSingleton is null, it is being instantiated
java.lang.ThreadSingleton is null, it is being instantiated
java.lang.ThreadSingleton is not null, because it has been instantiated

也即Singleton对象被实例化两（多）次，虽然我试着运行好几分钟，也没有出现这种情况，但是理论上是会出现的，为什么？
注意到count_0这个变量，开启了5000个线程，理论上应该和count的结果是一样5000。而实际的结果值却是4992。我们知道成员变量存在堆内存中，静态成员变量存在于方法区中（java.8以后使用了元空间（meta space）来实现jvm的方法区定义），而堆内存和方法区都是共享的，能被多线程访问，这就涉及到多线程下的安全性问题了。
而并发访问涉及到三个重要的概念：原子性、可见性、有序性。

原子性：在一个或多个操作中，要么全部执行且执行的过程不会被打断，要么全部不执行；
可见性：在多线程访问共享变量时，一个线程对变量的修改，其他的线程会立即感知；
有序性：程序的执行顺序是按照代码的顺序执行。

需要知道一点：在并发访问下，必须同时满足上面三个条件才行，缺一不可。

对于count_0++，这个自增动作：

不是原子性操作。包括读取变量，赋值，写入等动作。这又涉及到了java内存模型Java Memorry Model(JMM)这里就不深入了。
也不具备可见性。譬如count_0的原值是0，线程1读到count_0的值为0，并执行 ++动作，结果为1，还没来得及更新到主内存；此时线程2也读到了count_0的值为0，并没有立即读到线程1执行的结果，结果也为1。最后两个线程执行后更新到主内存的count_0的值是1，这就导致上面的count_0和count结果不一致的原因了。

同理，#0处的静态成员变量singleton也是线程不安全的。

Singleton singleton = new Singleton()；

不具备原子性和可见性。

那volatile关键字就具备了原子性、可见性和有序性么？
我们先看下加上后的运行结果，修改代码，在变量count_0前面加上关键字volatile：

public static volatile int count_0 = 0;

运行结果：

java.lang.ThreadSingleton is null, it is being instantiated
java.lang.ThreadSingleton is not null, because it has been instantiated
count:5000
count_0: 4998
count_1: 2
count_2: 2
count_3: 1
count_3_1: 1

我们发现count_0的结果依旧不等于count的值，也就是说还是线程不安全的。那么问题来了，在单例模式的双重检查中为啥还需要个volitle关键字呢？这里只给出它的作用：能保证可见性和一定的有序性，但是不能保证原子性。根据这个结论，我们看看加了volitle关键字的单例双重检查 + synchronized关键字模式。

 private static volatile Singleton singleton = null; //#0

volitle能保证可见性，也就是说只要一个线程对共享变量修改了，其他线程都能立即看到。有序性也是一定程度的，哪“不一定的程度”怎么保证呢？还有原子性怎么保证？这里别忘了，还有个synchronized关键字。synchronized是啥，是排他锁、同步锁，也就是说同一时刻只会有一个线程获得锁，其他的都在等待锁的释放。所以，synchronized就保证了有序性和原子性。

PS：count_0和singleton都是共享变量，从上面的运行结果看count_0出现不安全的概率有（5000-4998）/5000（很小），而5000个线程中只有几个进入了#1后，所以确实很不容易出现。

所以记得，在写单例模式时，用双重检查 + synchronized关键字 + voliltle关键字，这样才能保证绝对的安全。