Sunny公司开发人员使用单例模式实现了负载均衡器的设计,但是在实际使用中出现了一个非常严重的问题,当负载均衡器在启动过程中用户再次启动该负载均衡器时,系统无任何异常,但当客户端提交请求时出现请求分发失败,通过仔细分析发现原来系统中还是存在多个负载均衡器对象,导致分发时目标服务器不一致,从而产生冲突。为什么会这样呢?Sunny公司开发人员百思不得其解。
现在我们对负载均衡器的实现代码进行再次分析,当第一次调用getLoadBalancer()方法创建并启动负载均衡器时,instance对象为null值,因此系统将执行代码instance= new LoadBalancer(),在此过程中,由于要对LoadBalancer进行大量初始化工作,需要一段时间来创建LoadBalancer对象。而在此时,如果再一次调用getLoadBalancer()方法(通常发生在多线程环境中),由于instance尚未创建成功,仍为null值,判断条件(instance== null)为真值,因此代码instance= new LoadBalancer()将再次执行,导致最终创建了多个instance对象,这违背了单例模式的初衷,也导致系统运行发生错误。
如何解决该问题?我们至少有两种解决方案,在正式介绍这两种解决方案之前,先介绍一下单例类的两种不同实现方式,饿汉式单例类和懒汉式单例类。
1.饿汉式单例类
class EagerSingleton {
private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
private EagerSingleton() { }
public static EagerSingleton getInstance() {
return instance;
}
}
2.懒汉式单例类与线程锁定
为了避免多个线程同时调用getInstance()方法,我们可以使用关键字synchronized
class LazySingleton {
private static LazySingleton instance = null;
private LazySingleton() { }
synchronized public static LazySingleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}
该懒汉式单例类在getInstance()方法前面增加了关键字synchronized进行线程锁,以处理多个线程同时访问的问题。但是,上述代码虽然解决了线程安全问题,但是每次调用getInstance()时都需要进行线程锁定判断,在多线程高并发访问环境中,将会导致系统性能大大降低。如何既解决线程安全问题又不影响系统性能呢?我们继续对懒汉式单例进行改进。事实上,我们无须对整个getInstance()方法进行锁定,只需对其中的代码“instance
= new LazySingleton();”进行锁定即可。因此getInstance()方法可以进行如下改进:
public static LazySingleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (LazySingleton.class) {
instance = new LazySingleton();
}
}
return instance;
}
假如在某一瞬间线程A和线程B都在调用getInstance()方法,此时instance对象为null值,均能通过instance == null的判断。由于实现了synchronized加锁机制,线程A进入synchronized锁定的代码中执行实例创建代码,线程B处于排队等待状态,必须等待线程A执行完毕后才可以进入synchronized锁定代码。但当A执行完毕时,线程B并不知道实例已经创建,将继续创建新的实例,导致产生多个单例对象,违背单例模式的设计思想,因此需要进行进一步改进,在synchronized中再进行一次(instance == null)判断,这种方式称为双重检查锁定(Double-Check Locking)。使用双重检查锁定实现的懒汉式单例类完整代码如下所示:
class LazySingleton {
private volatile static LazySingleton instance = null;
private LazySingleton() { }
public static LazySingleton getInstance() {
//第一重判断
if (instance == null) {
//锁定代码块
synchronized (LazySingleton.class) {
//第二重判断
if (instance == null) {
instance = new LazySingleton(); //创建单例实例
}
}
}
return instance;
}
}
需要注意的是,如果使用双重检查锁定来实现懒汉式单例类,需要在静态成员变量instance之前增加修饰符volatile,被volatile修饰的成员变量可以确保多个线程都能够正确处理,且该代码只能在JDK 1.5及以上版本中才能正确执行。由于volatile关键字会屏蔽Java虚拟机所做的一些代码优化,可能会导致系统运行效率降低,因此即使使用双重检查锁定来实现单例模式也不是一种完美的实现方式。