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Java雙重檢查鎖單例真的線程安全嗎？

相信大多數(shù)同學(xué)在面試當(dāng)中都遇到過(guò)手寫單例模式的題目，那么如何寫一個(gè)完美的單例是面試者需要深究的問(wèn)題，因?yàn)橐粋€(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯卫Ｊ秸f(shuō)不定就直接決定了面試結(jié)果，今天我們就要來(lái)講講看似線程安全的雙重檢查鎖單例模式中可能會(huì)出現(xiàn)的指令重排問(wèn)題。

雙重檢查鎖單例模式

乍一看下面單例模式?jīng)]啥問(wèn)題，還加了同步鎖保證線程安全，從表面上看確實(shí)看不出啥問(wèn)題，當(dāng)在同一時(shí)間多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行該單例時(shí)就會(huì)出現(xiàn)JVM指令重排的問(wèn)題，從而可能導(dǎo)致某一個(gè)線程獲取的single對(duì)象未初始化對(duì)象。

 
 
 
    
  
  
  
  1. public class Single {
    2. 
  
  
  
  2. 
  
  
  
  3.  private static Single single;
    4. 
  
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  
  5.  private Single() {
    6. 
  
  
  
  6.  }
    7. 
  
  
  
  7.  
    8. 
  
  
  
  8.  public static Single getInstance() {
    9. 
  
  
  
  9.   if(null == single) {
    10. 
  
  
  
  10.    synchronized (Single.class) {
    11. 
  
  
  
  11.     if(null == single) {
    12. 
  
  
  
  12.      single = new Single();
    13. 
  
  
  
  13.     }
    14. 
  
  
  
  14.    }
    15. 
  
  
  
  15.   }
    16. 
  
  
  
  16.   return single;
    17. 
  
  
  
  17.  }
    18. 
  
  
  
  18. }
    19.

問(wèn)題前因后果

其實(shí)single = new Single()這段代碼并不具備原子性，從代碼層面上來(lái)說(shuō)確實(shí)沒(méi)問(wèn)題，但是如果了解JVM指令的就知道其實(shí)在執(zhí)行這句代碼的時(shí)候在JVM中是需要執(zhí)行三個(gè)指令來(lái)完成的，如下：

 
 
 
    
  
  
  
  1. //1：分配對(duì)象的內(nèi)存空間
    2. 
  
  
  
  2. memory = allocate(); 
    3. 
  
  
  
  3. //2：初始化對(duì)象
    4. 
  
  
  
  4. ctorInstance(memory); 
    5. 
  
  
  
  5. //3：設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址
    6. 
  
  
  
  6. instance = memory; 
    7.

看到上面指令重排的解釋之后，那么我們來(lái)回顧一下未加volatile修飾符的單例為何會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。假設(shè)有A、B兩個(gè)線程去調(diào)用該單例方法，當(dāng)A線程執(zhí)行到single = new Single()時(shí)，如果編譯器和處理器對(duì)指令重新排序，指令重排后：

 
 
 
    
  
  
  
  1. //1：分配對(duì)象的內(nèi)存空間
    2. 
  
  
  
  2. memory = allocate(); 
    3. 
  
  
  
  3. //3：設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址，此時(shí)對(duì)象還沒(méi)被初始化
    4. 
  
  
  
  4. instance = memory; 
    5. 
  
  
  
  5. //2：初始化對(duì)象
    6. 
  
  
  
  6. ctorInstance(memory); 
    7.

當(dāng)A線程執(zhí)行到第二步(3：設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址，此時(shí)對(duì)象還沒(méi)被初始化)變量single指向內(nèi)存地址之后就不為null了，此時(shí)B線程進(jìn)入第一個(gè)if，由于single已經(jīng)不為null了，那么就不會(huì)執(zhí)行到同步代碼塊，而是直接返回未初始化對(duì)象的變量single，從而導(dǎo)致后續(xù)代碼報(bào)錯(cuò)。

解決方案

問(wèn)題也搞清楚了，接下來(lái)我們就來(lái)看下如何解決這個(gè)問(wèn)題。解決問(wèn)題的關(guān)鍵就在于volatile關(guān)鍵字，原因就在于它的可見性：

寫volatile修飾的變量時(shí)，JMM會(huì)把本地內(nèi)存中值刷新到主內(nèi)存 讀

volatile修飾的變量時(shí)，JMM會(huì)設(shè)置本地內(nèi)存無(wú)效

在多線程環(huán)境下，一個(gè)線程對(duì)共享變量的操作對(duì)其他線程是不可見的，Java提供了volatile來(lái)保證可見性，當(dāng)一個(gè)變量被volatile修飾后，表示著線程本地內(nèi)存無(wú)效，當(dāng)一個(gè)線程修改共享變量后他會(huì)立即被更新到主內(nèi)存中，其他線程讀取共享變量時(shí)，會(huì)直接從主內(nèi)存中讀取。

當(dāng)然，synchronize和Lock都可以保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼，并且在釋放鎖之前會(huì)將對(duì)變量的修改刷新到主存當(dāng)中。

更正后的單例

對(duì)比上面單例，下面單例在私有靜態(tài)變量single前面加了修飾符volatile能夠防止JVM指令重排，從而解決了single對(duì)象可能出現(xiàn)成員變量未初始化的問(wèn)題。

 
 
 
    
  
  
  
  1. public class Single {
    2. 
  
  
  
  2. 
  
  
  
  3.  private volatile static Single single;
    4. 
  
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  
  5.  private Single() {
    6. 
  
  
  
  6.  }
    7. 
  
  
  
  7.  
    8. 
  
  
  
  8.  public static Single getInstance() {
    9. 
  
  
  
  9.   if(null == single) {
    10. 
  
  
  
  10.    synchronized (Single.class) {
    11. 
  
  
  
  11.     if(null == single) {
    12. 
  
  
  
  12.      single = new Single();
    13. 
  
  
  
  13.     }
    14. 
  
  
  
  14.    }
    15. 
  
  
  
  15.   }
    16. 
  
  
  
  16.   return single;
    17. 
  
  
  
  17.  }
    18. 
  
  
  
  18. }
    19.

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