多线程案例---单例模式

单例模式

什么是设计模式呢？

设计模式就好比棋手中的棋谱。在日常开发中，会会遇到很多常见的“问题场景”，针对这些问题场景，大佬们就设计了一些固定套路，按照这些固定套路来实现代码或应对这些问题场景，也不会吃亏。这些固定的套路就是设计模式。

单例模式就是设计模式中的一个非常经典的一个设计模式，也是校招中最容易考到的设计模式。

单例模式可以保证某个类在程序中只有唯一一个实例化对象，不会存在多个实例化对象。

单例模式的实现方式有很多种，最常见的有“饿汉模式”和“懒汉模式”这两种。

饿汉模式

饿汉模式就是讲究一个迫切，在饿汉模式中，要求在加载类的同时，创建实例。

实现方式：在该类中，使用static修饰类成员对象，并将该类的构造方法用private修饰，使其私有化，并提供一个方法来获得对象。

实现代码：

class Singleton{
    private static Singleton instance=new Singleton();
    
    public Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
    
    private Singleton(){}
}

懒汉模式

懒就是尽量晚的创建实例，甚至不创建实例，也就是延迟创建实例，这样就方便我们根据实际需求来创建合适的实例。

实现方式：在该类中，先让static修饰的类成员置为null，然后通过方法来创建类的实例和获取实例。

代码实现

class SingletonLazy{
    private static SingletonLazy instance=null;
    
    public SingletonLazy getInstance(){
        if(instance==null){
            instance=new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
    
    private SingletonLazy(){}
}

线程安全分析

在多线程的情况下，饿汉模式和懒汉模式是否存在线程安全问题？

判断饿汉模式和懒汉模式是否存在线程安全问题，主要是分析这两种模式的getInstance()方法是否存在线程安全问题。

饿汉模式

由于懒汉模式中的getInstance()方法中只有一个return语句，这是一个读操作，所以不会涉及线程安全问题。

懒汉模式

由于懒汉模式中的getInstance()方法中涉及到修改操作，在多线程程序中，有可能产生线程安全问题。

1.原子性分析

如下图

如上图，在多线程情况下就会出现上图这种情况，这样就会导致第一次new的对象被第二次new的对象给覆盖掉了，第一个线程new出来的对象就会被GC释放掉了。

这里假设我们我们new的过程中要将一个很大内存的数据加载到内存中，本来加载一份这样的数据就要花费很多时间，但由于上述问题的存在，可能就要加载两份的数据，结果第一份数据还被释放掉了，这样反而降低了程序的运行效率。

这里产生线程安全的原因是条件判断和修改操作不是原子的，这时，我们就可以通过加锁，将判断操作和修改操作打包成原子的。

如下图

引入加锁后，后执行的线程执行到加锁的位置就会阻塞，等到前一个线程执行完毕释放锁时，此时，instance就不为null了，所以第二个线程就不会执行new操作了，这样就避免出现加载两份new出相同对象的情况了，提高了程序的效率。

2.锁效率分析

当我们加锁之后，就会引入一个新的问题。

当我们的instance已经实例化好之后，多个线程在继序执行代码的时候，为了判断instance是否已经实例化，就会多次的加锁去执行所里面的判断操作，多个线程持续的加锁和解锁就会出现阻塞，一旦阻塞，对于计算机来说，阻塞的时间间隔就是沧海桑田，这样影响程序的效率。

解决方法：

我们可以按需加锁，真正涉及到线程安全问题的时候我们在加锁，不涉及到线程安全问题的时候，我们就不加锁。

以上面的的的代码为例

我们真正涉及到线程安全问题的时候是第一次实例化instance的时候，当我们第一次实例化成功后，后面执行的线程就不必再去加锁，进去所里面执行实例化的操作了，也就是说，第一次instance成功实例化之后，后面线程涉及的操作就不涉及线程安全问题了，所以我们就可以让后面执行的线程跳过加锁的操作。

class SingletonLazy{

    private static SingletonLazy instance=null;

    public SingletonLazy getInstance(){
        if(instance==null){
            synchronized (this){
                if(instance==null){
                    instance=new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private SingletonLazy(){}
}

注意：

这里出现了两次if(instance==null)

syncronized里面的if(instance==null)是为了判断是否需要实例化对象，最外面的if(instance==null)是为了在多线程程序中，instance已经实例化好的情况下，其他线程继续执行该代码的时候，不需要再继续实例化，让其跳过加锁和解锁的操作，直接执行return语句，使程序不会阻塞，提高程序的运行效率。

3.内存可见性分析

上面代码在多线程情况下会不会出现内存可见性的问题呢？

如下图

由于编译器优化是一个非常复杂的过程，我们无法确定是否出现内存可见性问题，但是为了杜绝内存可见性的问题，我们还是要用volatile关键字来修饰类成员。

4.指令重排序分析

这里更关键的问题，是指令重排序问题。

指令重排序也是编译器优化的一种体现，编译器优化能保证在代码逻辑不变的情况下，会改变代码指令执行的先后顺序来提高代码的运行效率。

如上面代码中的instance=new SingletonLazy();，这个语句就有可能触发指令重排序的问题。

这条语句执行的指令主要有3条

1. 申请内存空间

2. 在空间中构造化对象，也就是初始化对象

3.将内存空间的“首地址”赋值给引用变量

正常的执行顺序是1->2->3，但是由于指令重排序的问题会出现1->3->2这样的执行顺序，也就是instance不为null了，但是还没初始化里面的内容，此时就会导致其他线程拿着一个未初始化的对象进行其他操作，这样就会导致线程安全问题。

针对指令重排序的问题，我们也是通过volatile来修饰类成员来解决。

volatile关键字的作用

1.确保程序成内存中读取数据，避免内存可见性问题

2.确保程序对变量的读取和修改不会出现指令重排序的问题。

懒汉模式的完整版代码

class SingletonLazy{
    private static volatile SingletonLazy instance=null;
    
    public SingletonLazy getInstance(){
        if(instance==null){
            synchronized (this){
                if(instance==null){
                    instance=new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    
    private SingletonLazy(){}
}