高併發下如何保證單例模式的線程安全

   單例模式是常用的軟件設計模式之一，同時也是設計模式中最簡單的形式之一，在單例模式中對象只有一個實例存在。單例模式的實現方式有兩種，分別是懶漢式和餓漢式。

1、餓漢式

   餓漢式在類加載時已經創建好實例對象，在程序調用時直接返回該單例對象即可，即在編碼時就已經指明瞭要馬上創建這個對象，不需要等到被調用時再去創建，如下是餓漢式的代碼：

public class Singleton {
  private static Singleton singleton = new Singleton();
  /**
   * 私有化構造方法
   */
  private Singleton(){
  }
  /**
   * 直接調用方法獲取單例對象
   */
  public static Singleton getSingleton() {
    return singleton;
  }
}

   如果創建的單例對象比較大，由於在類加載的過程中就加載了，那麼會影響應用程序啓動的速度；餓漢式不會存在線程安全的問題，因爲類加載的過程中就創建了，並且程序只會運行一次。

2、懶漢式

   懶漢式指全局的單例實例在第一次被使用時再創建，後面就不會創建實例對象，代碼如下所示：

public class Singleton {
  private static Singleton singleton;
  /**
   * 私有化構造方法
   */
  private Singleton(){
  }
  /**
   * 判斷當前的對象是否存在，如果存在就直接返回，如果不存在就創建一個對象
   */
  public static Singleton getSingleton() {
    if (singleton==null) {
        singleton = new Singleton();
      }
    return singleton;
  }
}

   在高併發下，上述的懶漢式會存在線程安全問題（會創建多個實例對象），如下所示：

   如果線程 1 和線程 2 同時調用 getSingleton 方法時候，並且都通過了第 17 行代碼的檢查，那麼線程 1 和線程 2 就創建了兩個對象出來了。那麼懶漢式如何保證線程安全呢？

（2.1）方法級別鎖

   如果直接在方法級別上增加鎖，可以解決線程安全的問題，但是在高併發下會導致性能下降（因爲多個線程執行到這個方法之後就會阻塞等待鎖資源）。

   衆所周知，鎖是用來鎖住臨界資源（即就是多線程同時競爭的資源），在懶漢模式中臨界資源是創建對象這段代碼（singleton = new Singleton();），那麼鎖只需要鎖住創建對象的代碼就可以了。

（2.2）同步代碼塊的鎖

   這裏爲什麼要加一個先判斷空的操作呢？目的是爲了提升性能，因爲一旦對象創建好了之後，後面的線程直接判斷對象是否創建好了，創建好了之後在高併發下線程就不需要在鎖位置阻塞等待了。但是這種方式在高併發下也是存在線程安全的問題，如下所示：

   假設線程 1 和線程 2 同時到了 17 行代碼處，並且當前的對象也是 null，此時線程 1 先獲取到鎖，線程 1 下創建了一個新對象完成後鎖釋，隨後線程 2 獲取到鎖後也創建了一個對象，那麼這就無法保證只有一個單例對象。所以鎖內部還需要再增加一個檢查，如下所示：

   當上一個獲取鎖的線程創建對象成功之後，下一個線程獲取到鎖的時候，再去判斷一下這個對象是否創建成功，如果創建成功就不再創建新的對象。這種方法我們稱爲 Double Check Lock，完整的代碼如下所示：

public class Singleton {
  private static Singleton singleton;
  /**
   * 私有化構造方法
   */
  private Singleton(){
  }
  /**
   * 判斷當前的對象是否存在，如果存在就直接返回，如果不存在就創建一個對象
   */
  public static Singleton getSingleton() {
    if (singleton==null) {
        synchronized(Singleton.class) {
            if (singleton==null) {
               singleton = new Singleton();
             }
          }
      }
    return singleton;
  }
}

   但是在高併發這塊還是存在線程的安全問題，因爲創建對象的過程有三個步驟，如下所示：

（1）內存分配和賦予默認值

（2）執行初始化方法賦予初始化值

（3）建立指針指向堆上對象

   如果在高併發下，假設步驟 2 和步驟 3 發生了指令重排，此時就可能會出現如下的情況：

   棧裏面的指針指向堆上的對象 Singleton，但是現在由於指令重排指向一個空（空表示內存上真的什麼都沒有，連對象都解析不出來），這就出現一系列的問題，所以這裏我們就需要禁止指令重排，所以我們需要添加 volatile 關鍵字來限制執行重排。

完整的代碼的如下所示：

public class Singleton {
  private static volatile Singleton singleton;
  /**
   * 私有化構造方法
   */
  private Singleton(){
  }
  /**
   * 判斷當前的對象是否存在，如果存在就直接返回，如果不存在就創建一個對象
   */
  public static Singleton getSingleton() {
    if (singleton==null) {
        synchronized(Singleton.class) {
            if (singleton==null) {
               singleton = new Singleton();
             }
          }
      }
    return singleton;
  }
}

總結：

（1）餓漢式在類加載的時候就實例化，並且創建單例對象，餓漢式無線程安全問題。

（1）懶漢式默認不會實例化，外部什麼時候調用什麼時候創建。懶漢式在多線程下是線程不安全的，所以我們可以通過雙重檢查的方式來保證其線程安全問題。

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