java多线程（三）：多线程单例模式，双重检查，volatile关键字

一.事先准备

首先准备一个运行用的代码：

public class Singleton {

    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i] = new myThread();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }
    }

}

class myThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        //打印实例的hashCode
        //运行不同的示例时替换类名即可
        System.out.println(Obj.getObj().hashCode());
    }
}

以下代码都在此基础上运行。

二.饿汉式

饿汉式是天生线程安全的。

/*
* 饿汉式
* */
class Obj{

    //一开始就直接初始化对象
    private static Obj obj = new Obj();

    //私有有化构造方法避免再new出一个对象
    private Obj() {
    }

    //通过get方法获取实例
    public static Obj getObj(){
        return obj;
    }
}

//输出
471895473
471895473
471895473
471895473
471895473
471895473
471895473
471895473
471895473
471895473

对应饿汉式，因为饿汉式在类加载时创建实例，而一个类在生命周期中只被加载一次，也就是说，饿汉式在线程访问前就已经创建好了唯一的那个实例，因此无论多少个线程同时访问，最终获取到的都是一个实例。

当然，实际上饿汉式可能导致系统最终创建了太多无用实例，所以懒汉式仍然还是必要的。

三.懒汉式

1.传统懒汉式

传统懒汉式是非线程安全的，示例如下：

/*
* 传统懒汉式
* */
class Obj2 {

    private static Obj2 obj;

    private Obj2() {
    }

    //get方法进行同步
    public static Obj2 getObj(){
        if (obj == null){
            obj = new Obj2();
        }
        return obj;
    }
}

//输出
1217036164 //创建了多个实例
102629730
1217036164
102629730
102629730
102629730
102629730
102629730

对于传统懒汉式，因为当某个线程创建实例但是还没来得及写入堆内存时，可能已经有多个线程进入了if代码块，因此可能最后会创建多个实例。

2.使用内部类

因为饿汉式是天生线程的，所以也可以通过内部类实现：

/**
 * 内部类
 */
class Obj5 {
    
    //内部类
    private static class InitBean {
        //将外部类作为成员变量，饿汉式创建
        private static Obj5 obj5 = new Obj5();
    }

    private Obj5() {
    }

    //工厂方法，实际上是懒汉式初始化内部类，并且从内部类获取实例
    public static Obj5 getObj() {
        return InitBean.obj5;
    }
}

//输出
1217036164
1217036164
1217036164
1217036164
1217036164
1217036164
1217036164
1217036164
1217036164
1217036164

对于这种方法的解释是这样的：

当调用getObj()方法时，会触发InitBean类的初始化。

由于Obj5是InitBean的类成员变量，因此在JVM调用InitBean类的类构造器对其进行初始化时，虚拟机会保证一个类的类构造器在多线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的类构造器，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行方法完毕。

总结一下，就是jvm会保障多线程情况下类的正确初始化，所以借助这一点，我们创建一个内部类，然后让内部类初始化的时候创建唯一个实例作为成员变量，而通过外部类的工厂方法来触发内部类的初始化并获取实例。

3.使用synchronize同步工厂方法

解决传统懒汉式问题的方法很简单，那就是直接给工厂方法加上synchronize关键字变成同步方法：

...
//直接对工厂方法进行同步
public static synchronized Obj2 getObj(){
    if (obj == null){
        obj = new Obj2();
    }
    return obj;
}

//输出
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314

从执行结果上来看，问题已经解决了，但是这种实现方式的运行效率会很低，因为同步块的作用域有点大，而且锁的粒度有点粗。同步方法效率低，所以我们还得进一步缩小锁范围，因此可以考虑使用同步代码块来实现。

4.双重检查

要说锁粒度最小，那就是只锁实例化的代码，然后只在实例化前进行一次检查：

/*
 * 不双重检查
 * */
class Obj4 {

    private volatile static Obj4 obj4;

    private Obj4() {
    }

    public static Obj4 getObj() {
        //检查是否已有实例
        if (obj4 == null) {
            //没有实例就获取锁进行准备实例化
            synchronized (Obj3.class) {
                obj4 = new Obj4();
            }

        }
        return obj4;
    }
}

//输出
2140075580 //创建了多个实例
1285201119
1217036164
102629730
102629730
1000492474
1217036164
569477593
1217036164
1217036164

实际上这样跟传统懒汉式并无区别，因为只检查一次的话，同样会面对第一个示例还在创建，结果其他线程直接通过了if判断的情况，所以我们需要再在同步代码块中进行一次检查

...
//对工厂方法进行双重检查
public static Obj3 getObj() {
    //检查是否已有实例
    if (obj3 == null) {
        //没有实例就获取锁进行准备实例化
        synchronized (Obj3.class) {
            //再判断是否已经有获取过锁的线程实例化了对象
            if (obj3 == null) {
                obj3 = new Obj3();
            }
        }

    }
    return obj3;
}

//输出
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314
1696172314

四.双重检查中的volatile关键字

在双重检查中，必须使用volatile关键字修饰引用的单例，目的是jvm在创建实例的时候进行禁止指令重排。

要理解指令重排，必须先理解jvm是如何处理new操作的：

1. 分配对象的内存空间
2. 初始化对象
3. 使变量指向对象

但是由于jvm会因为进行指令重排，所一实际上new操作的步骤可能发生变化：

1. 分配对象的内存空间
2. 使变量指向对象
3. 初始化对象

这就会导致现有的代码出现这样的问题：

1. 线程一最先获取锁并执行初始化代码，但是发生了指令重排
2. jvm执行完1后，先执行了3，但是2还没来得及执行锁就被线程二抢占了
3. 此时线程二能够获取实例了，通过了代码检查，但是线程二获取的这个实例还没有初始化，是个不完整的实例
4. 线程一抢占锁，执行构造函数完成变量初始化

显然，如果线程二拿着一个不完整的实例进了业务代码，就会引发各种bug，这种隐患正是由指令重排引起的，所以我们需要使用volatile指令修饰引用的单例