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  • 多线程模式开还是不开
    万次阅读
    2019-02-11 18:00:38

         单实例设计模式是我们平常接触最多的一种设计模式,它的特点在于保证一个类只有一个实例,并且对类成员的访问都是通过一个全局访问点来进行的。单实例主要用在整个场景中只能有一个该操作类对象,不允许再有其他的该操作类对象,比如:Http传输管理类,线程池管理类等。下面我们对单线程和多线程不同模式下的单实例实现分别进行分析。

    一,单线程下的单实例

         单例模式的结构图如下:
    在这里插入图片描述
         为了避免在外部创建类对象,我们需要将单例类的构造函数设置为私有,并且提供一个静态的接口来创建唯一实例对象。单例模式根据创建实例的时机又可以分为饿汉模式和懒汉模式。

    1, 懒汉模式

         懒汉模式即当需要的时候才会去new对象,代码实现如下:

    class Singelton
    {
    private:
    	Singelton() {}
    	static Singelton* s_singleton;
    
    public:
    	static Singelton* GetInstance()
    	{
    		if (s_singleton == NULL)
    		{
    			s_singleton = new Singelton();
    		}
    		return s_singleton;
    	}
    };
    Singelton* Singelton::s_singleton = NULL;//注意静态变量类外初始化
    
    

         当多个线程同时调用GetInstance()时,由于内部的new操作并没有加锁,会出现以下两种情况:
    A, 多个线程同时对一个变量进行写操作,地址访问冲突,导致程序崩溃;
    B, 有一个临界点,同时new了两个对象,违背了单实例的原则,返回的类指针不唯一相同。
         因此,懒汉模式在是多线程不安全的。

    2, 饿汉模式

         饿汉模式即在调用接口获取对象之前直接先new一个对象,代码实现如下:

    class Singelton
    {
    private:
    	Singelton() {}
    	static Singelton* s_singleton;
    
    public:
    	static Singelton* GetInstance()
    	{
    		return s_singleton;
    	}
    };
    Singelton* Singelton::s_singleton = new Singelton;//注意静态变量类外初始化
    
    

         由于饿汉模式类对象的创建是在一个静态变量初始化时new出来的,那么在多线程中调用GetInstance()并不会有问题(全局变量和静态变量是在main函数之前初始化的)

    二,多线程下的单实例

         针对上述两种单实例模式的实现,可以知道:饿汉模式是线程安全的,懒汉模式是线程不安全的。下面我们来实现线程安全的懒汉模式。

    1,加锁

         通过锁来实现,在每次new之前加锁,new完成后释放锁,保证永远只有一个线程对该静态类指针进行赋值操作,代码如下:

    #include <mutex>
    
    class Singelton
    {
    private:
    	Singelton() {}
    	static Singelton* s_singleton;
    	static std::mutex s_cvMutex; // 互斥锁.
    
    public:
    	static Singelton* GetInstance()
    	{
    		if (s_singleton == nullptr)
    		{
    			std::lock_guard<std::mutex> lck(s_cvMutex);
    			if (s_singleton == nullptr)
    			{
    				s_singleton = new Singelton;
    			}		
    }
    		return s_singleton;
    	}
    };
    Singelton* Singelton::s_singleton = nullptr;//注意静态变量类外初始化
    std::mutex Singelton::s_cvMutex;
    
    

         这里有一点需要注意,在加锁之后,new之前,又加了一重判空操作,这一步是为了保证多个线程同时进入了第一层判空语句中,当一个线程new完之后,如果不加第二重判空,那么第二个线程会再次进行new操作,导致实例不唯一。

    2,原子操作

         单纯的原子操作并没有锁的功能,需要配合上:if + while + Sleep(当然,也可以说是if + while,不去Sleep也可以),具体代码实现如下:

    class Singelton
    {
    private:
    	Singelton() {}
    
    public:
    	static Singelton* GetInstance()
    	{
    		if (g_singleton == NULL)
    		{
    			long pre_value = ::InterlockedExchange(&g_nLock, 1); //返回原来的值
    			if (pre_value != 0)
    			{
    				while (g_singleton == NULL)
    				{
    					::Sleep(50);
    				}
    			}
    			if (g_singleton == NULL)
    			{
    				g_singleton = new Singelton;
    			}
    		}
    		return g_singleton;
    	}
    
    };
    Singelton* volatile g_singleton = nullptr;
    long volatile g_nLock = 0;
    
    

         多个线程同时调用InterlockedExchange,只能有一个线程得到0,保证只初始化一次,其余线程进入while循环等待,直到g_singleton非空。
         大家可以注意到,这里还用到了volatile关键字,volatile一般有两个好处:1是使得多个线程直接操作内存,变量被某个线程改变后其它线程也可以及时看到改变后的值;2是阻止编译器优化操作volatile变量的指令执行顺序。这里如果不使用它,就可能导致编译器调整汇编指令的顺序,分配完内存就直接把地址赋值给g_singleton指针,后面再调用构造函数,它这样调整的理由可能是这样子:分配到的内存指针在后续的执行中没有被修改,先赋值给g_singleton和晚赋值给g_singleton没有区别,这就导致了半成品对象的产生。

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    1、单例模式单线程下是安全的

    public class SingletonDemo {

        private static SingletonDemo singletonDemo = null;

     

        private SingletonDemo() {

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "SingletonDemo构造方法创建");

        }

     

        public static SingletonDemo getInstance() {

            if (singletonDemo == null) {

                singletonDemo = new SingletonDemo();

            }

            return singletonDemo;

        }

     

        public static void main(String[] args) {

    // 单线程main情况下,单例模式下只会创建一次SingletonDemo对象

    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());

    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());

    System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());

        }

    }

    程序执行结果如下:

     

    2、单例模式多线程是不安全的

    public class SingletonDemo {

        private static SingletonDemo singletonDemo = null;

     

        private SingletonDemo() {

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "SingletonDemo构造方法创建");

        }

     

        public static SingletonDemo getInstance() {

            if (singletonDemo == null) {

                singletonDemo = new SingletonDemo();

            }

            return singletonDemo;

        }

     

        public static void main(String[] args) {

            // 多线程情况下,单例模式存在线程不安全,会创建多次SingletonDemo对象

            for (int i = 0; i < 10; i++) {

                new Thread(() -> {

                    SingletonDemo.getInstance();

                }, String.valueOf(i)).start();

            }

     

        }

    }

    程序执行结果如下:

    3、单例模式多线程不安全问题解决

    public class SingletonDemo {

        private static SingletonDemo singletonDemo = null;

     

        private SingletonDemo() {

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "SingletonDemo构造方法创建");

        }

     

        public static synchronized SingletonDemo getInstance() {

            if (singletonDemo == null) {

                singletonDemo = new SingletonDemo();

            }

            return singletonDemo;

        }

     

        public static void main(String[] args) {

            // 多线程情况下,单例模式存在线程不安全,会创建多次SingletonDemo对象

            for (int i = 0; i < 10; i++) {

                new Thread(() -> {

                    SingletonDemo.getInstance();

                }, String.valueOf(i)).start();

            }

     

        }

    }

    程序执行结果如下:

    volatile使用场景请接着看下一篇博客

    参考答案请看下一小节:单例模式volatile分析

     

    展开全文
  • Java基础之单例模式多线程环境下的安全问题 目录: 单线程下的单例模式 多线程下的单例模式 单例模式volatile分析 1. 单线程下的单例模式 1. 单线程下单例模式代码 public class SingletonDemo {...

    Java多线程之单例模式在多线程环境下的安全问题


    目录:

    1. 单例模式基本概念
    2. 单线程下的单例模式
    3. 多线程下的单例模式
    4. 单例模式volatile分析

    1. 单例模式基本概念

    基本概念转载自:单例模式|菜鸟教程

    单例模式(Singleton Pattern)是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了一种创建对象的最佳方式。

    这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。

    注意:

    1. 单例类只能有一个实例。
    2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
    3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

    意图:保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。

    主要解决:一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

    何时使用:当您想控制实例数目,节省系统资源的时候。

    如何解决:判断系统是否已经有这个单例,如果有则返回,如果没有则创建。

    关键代码:构造函数是私有的。

    应用实例:

    1. 一个班级只有一个班主任。
    2. Windows 是多进程多线程的,在操作一个文件的时候,就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象,所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
    3. 一些设备管理器常常设计为单例模式,比如一个电脑有两台打印机,在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

    优点:

    1. 在内存里只有一个实例,减少了内存的开销,尤其是频繁的创建和销毁实例(比如管理学院首页页面缓存)。
    2. 避免对资源的多重占用(比如写文件操作)。
      缺点:没有接口,不能继承,与单一职责原则冲突,一个类应该只关心内部逻辑,而不关心外面怎么样来实例化。

    使用场景:

    1. 要求生产唯一序列号。
    2. WEB 中的计数器,不用每次刷新都在数据库里加一次,用单例先缓存起来。
    3. 创建的一个对象需要消耗的资源过多,比如 I/O 与数据库的连接等。

    注意事项:getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。


    2. 单线程下的单例模式


    1. 单线程下单例模式代码

    public class SingletonDemo {
        private static SingletonDemo instance = null;
    
        private SingletonDemo(){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 我是构造方法SingletonDemo");
        }
    
        public static SingletonDemo getInstance(){
            if (instance == null){
                instance = new SingletonDemo();
            }
            return instance;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            // 单线程(main线程的操作动作)
            System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
            System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
            System.out.println(SingletonDemo.getInstance() == SingletonDemo.getInstance());
        }
    }
    

    2. 编译结果
    在这里插入图片描述


    3. 多线程下的单例模式


    1. 多线程下,上面的代码执行结果不再是单例,结果如下(不固定)

    在这里插入图片描述
    2.解决办法,可以在getInstance()方法上加synchronized,但是不推荐。更好的解决办法是使用DCL(Double Check Lock 双端捡锁机制)

    代码如下:

    public class SingletonDemo {
        private static SingletonDemo instance = null;
    
        private SingletonDemo() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 我是构造方法SingletonDemo");
        }
    
        //DCL  (Double Check Lock 双端捡锁机制)
        public static SingletonDemo getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (SingletonDemo.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new SingletonDemo();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            //并发多线程后,情况发生了很大的变化
            for (int i = 1; i <= 20; i++) {
                new Thread(() -> {
                    SingletonDemo.getInstance();
                }, String.valueOf(i)).start();
            }
        }
    }
    

    4. 单例模式volatile分析


    1. 上面多线程下单例模式在99.9%情况下都正确,但还是不能保证完全正确。因为在多线程环境下,底层为了优化有指令重排。
    2. 解决办法:加入volatile。

    代码如下

    public class SingletonDemo {
        private static volatile SingletonDemo instance = null;
    
        private SingletonDemo() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 我是构造方法SingletonDemo");
        }
    
        //DCL  (Double Check Lock 双端捡锁机制)
        public static SingletonDemo getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (SingletonDemo.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new SingletonDemo();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            //并发多线程后,情况发生了很大的变化
            for (int i = 1; i <= 20; i++) {
                new Thread(() -> {
                    SingletonDemo.getInstance();
                }, String.valueOf(i)).start();
            }
        }
    }
    
    1. 具体分析:

      DCL(双端检锁)机制不一定线程安全,原因是有指令重排序的存在,加入volatile可以禁止指令重排。

      原因在于某一个线程执行到第一次检测,读取到的instance不为null时,instance的引用对象可能没有完成初始化。

      instance=newSingDemo();可以分为以下3步完成(伪代码)

      memory=allocate(): // 1.分配对象内存空间
      instance(memory): // 2.初始化对象
      instance=memory; //3. 设置instance指向刚分配的内存地址,此时instance != null

      步骤2和步骤3不存在数据依赖关系,而且无论重排前还是重排后程序的执行结果在单线程中并没有改变,因此这种重排优化是允许的。

      memory=allocate();//1.分配对象内存空间
      instance=memory;//3.设置ins怡nce指向刚分配的内存地址,此时instance != null,但是对象还没有初始化完成!
      instance(memory);//2.初始化对象

      但是指令重排只会保证串行语义执行的一致性(单线程),但并不会关心多线程间的语义一致性。

      所以当一个线程访问instance不为null时,由于instance实例未必已初始化完成,也就造成了线程安全问题


    展开全文
  • 单例模式多线程

    千次阅读 2019-11-13 17:22:41
    如何使单例模式遇到多线程是安全的、正确的? 我们在学习设计模式的时候知道单例模式有懒汉式和饿汉式之分。简单来说,饿汉式就是在使用类的时候已经将对象创建完毕,懒汉式就是在真正调用的时候进行实例化操作。...

    一、前言

           如何使单例模式遇到多线程是安全的、正确的?

           我们在学习设计模式的时候知道单例模式有懒汉式和饿汉式之分。简单来说,饿汉式就是在使用类的时候已经将对象创建完毕,懒汉式就是在真正调用的时候进行实例化操作。

    二、饿汉式+多线程

    单例:

    public class MyObject {
        //饿汉模式
    	
    	private static MyObject myObject=new MyObject();
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	public static MyObject getInstance(){
    		return myObject;
    	}
    }

     自定义线程:

    public class MyThread extends Thread {
    	@Override
    	public void run(){
    		System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
    	}
    }

    main方法:

    public class Run {
     
    	public static void main(String[] args) {
    		MyThread t1=new MyThread();
    		MyThread t2=new MyThread();
    		MyThread t3=new MyThread();
    		t1.start();
    		t2.start();
    		t3.start();
     
    	}
     
    }

    结果:

     hashCode是同一个值,说明对象是同一个。也就是说饿汉式单例模式在多线程环境下是线程安全的。

    三、懒汉式+多线程

    方案一:

    单例:

    public class MyObject {
    	private static MyObject myObject;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	public static MyObject getInstance(){
    		try {
    			if (myObject==null) {
    				//模拟在创建对象之前做的一些准备性工作
    				Thread.sleep(3000);
    				myObject=new MyObject();
    			}
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return myObject;
    	}
     
    }

    自定义线程:

    public class MyThread extends Thread {
      @Override
      public void run(){
    	  System.out.println(MyObject.getInstance().hashCode());
      }
    }

    main方法:

    public class Run {
     
    	public static void main(String[] args) {
    		MyThread t1=new MyThread();
    		MyThread t2=new MyThread();
    		MyThread t3=new MyThread();
    		t1.start();
    		t2.start();
    		t3.start();
     
    	}
     
    }

    结果:

      3种hashCode,说明创建出了3个对象,并不是单例的。懒汉模式在多线程环境下是“非线程安全”。这是为何?

    因为创建实例对象的那部分代码没有加synchronized或Lock。三个线程都进入了创建实例对象的代码段getInstance。

    方案二:synchronized同步方法

          既然多个线程可以同时进入getInstance()方法,那么只需要对getInstance()方法声明synchronized关键字即可。在MyObject的getInstance()方法前加synchronized关键字。最终打印的三个hashcode是一样一样的。实现了多线程环境下,懒汉模式的正确性、安全性。但是此种方法的运行效率非常低下,因为是同步的,一个线程释放锁之后,下一个线程继续执行。
    方案三:synchronized同步代码块

     同步方法是对方法整体加锁,效率不高,我们可以通过减少锁的粒度,也就是使用synchronized同步代码块。如下面代码所示:

    public class MyObject {
    	private static MyObject myObject;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	/*synchronized*/
    	public  static MyObject getInstance(){
    		try {
    			synchronized (MyObject.class) {
    				if (myObject==null) {
    					//模拟在创建对象之前做的一些准备性工作
    					Thread.sleep(3000);
    					myObject=new MyObject();
    				}
    			}
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return myObject;
    	}
     
    } 

         这样做能保证最终运行结果正确,但getInstance方法中的全部代码都是同步的了,这样做会降低运行效率,和对getInstance方法加synchronized的效率几乎一样。

    方案四:重要代码同步代码块

    public class MyObject {
    	private static MyObject myObject;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	/*synchronized*/
    	public  static MyObject getInstance(){
    		try {
    			
    			if (myObject==null) {
    				//模拟在创建对象之前做的一些准备性工作
    				Thread.sleep(3000);
    				synchronized (MyObject.class) {
    				myObject=new MyObject();
    				}
    			}
    			
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return myObject;
    	}
     
    }

    结果:

     这种做法在多线程环境下还是无法解决得到同一个实例对象的结果。

    方案五:双重锁定

    package singleton_3;
     
    public class MyObject {
    	private static MyObject myObject;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	//使用双重锁定(Double-Check Locking)解决问题,既保证了不需要同步代码的异步执行性,
    	//又保证了单例的效果
    	public static MyObject getInstance(){
    		try {
    			if (myObject==null) {
    				//模拟在创建对象之前做一些准备性的工作
    				Thread.sleep(3000);
    				synchronized(MyObject.class){
    					if (myObject==null) {
    						myObject=new MyObject();
    					}
    				}
    				
    			}
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return myObject;
    	}
     
    }

          使用双重锁定功能,成功地解决了在多线程环境下“懒汉模式”的“非线程安全”问题。
          那么为什么外面已经判断myObject实例是否存在,为什么在lock里面还需要做一次myObject实例是否存在的判断呢?

          如果myObject已经存在,则直接返回,这没有问题。当Instance为null,并且同时有3个线程调用GetInstance()方法时,它们都可以通过第一重myObject==null的判断,然后由于lock机制,这三个线程只有一个进入,另外2个在外排队等候,必须第一个线程走完同步代码块之后,第二个线程才进入同步代码块,此时判断instance==null,为false,直接返回myObject实例。就不会再创建新的实例啦。第二个监测myObject==null一定要在同步代码块中。
    方案六:

         方案五表面上来看,在执行该代码时,先判断instance对象是否为空,为空时再进行初始化对象。即使是在多线程环境下,因为使用了synchronized锁进行代码同步,该方法也仅仅创建一个实例对象。但是,从根本上来说,这样写还是存在一定问题的。  问题源头:

    创建对象:1.创建对象时限分配内存空间-----》2.初始化对象-----》3.设置对象指向内存空间-----》4.初次访问对象;

    2和3可能存在重排序问题,由于单线程中遵守intra-thread semantics,从而能保证即使2和3交换顺序后其最终结果不变。但是当在多线程情况下,线程B将看到一个还没有被初始化的对象,此时将会出现问题。

     解决方案:

    1、不允许②和③进行重排序

    2、允许②和③进行重排序,但排序之后,不允许其他线程看到。

    基于volatile的解决方案

    对前面的双重锁实现的延迟初始化方案进行如下修改:  

    public class MyObject {
    	private volatile static MyObject myObject;
    
    	/* 私有构造函数避免被实例化 */
    	private MyObject() {
    
    	}
    
    	/* synchronized */
    	public static MyObject getInstance() {
    		try {
    
    			if (myObject == null) {
    				// 模拟在创建对象之前做的一些准备性工作
    				Thread.sleep(3000);
    				synchronized (MyObject.class) {
    					if (myObject == null) {
    						myObject = new MyObject(); // 用volatile修饰,不会再出现重排序
    					}
    				}
    			}
    
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		return myObject;
    	}
    
    }

    使用volatile修饰instance之后,之前的②和③之间的重排序将在多线程环境下被禁止,从而保证了线程安全执行。
       注意:这个解决方案需要JDK5或更高版本(因为从JDK5开始使用新的JSR-133内存模型规范,这个规范增强了volatile的语义)

    基于类初始化的解决方案

       JVM在类的初始化阶段(即在Class被加载后,且被线程使用之前),会执行类的初始化。在执行类的初始化期间,JVM会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。基于这个特性,可以实现另一种线程安全的延迟初始化方案。    
     

    public class MyObject {
    	private static MyObject myObject;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	//静态内部类方式
    	private static class MyObjectHandler{
    		private static MyObject myObject=new MyObject();
    	}
    	public static MyObject getInstance(){
    		return MyObjectHandler.myObject;
    	}
    }

    结果可行。

    使用静态代码块实现单例模式

    public class MyObject {
    	private static MyObject instance;
    	/*私有构造函数避免被实例化*/
    	private MyObject(){
    		
    	}
    	static{
    		instance=new MyObject();
    	}
    	public static MyObject getInstance(){
    		return instance;
    	}
    }

    结果可行。 该方案的实质是,允许②和③进行重排序,但不允许非构造线程(此处是B线程)“看到”这个重排序。

    四、总结

         单例模式分为懒汉式和饿汉式,饿汉式在多线程环境下是线程安全的;懒汉式在多线程环境下 是“非线程安全”的,可以通过synchronized同步方法和“双重检测”机制来保证懒汉式在多线程环境下的线程安全性。静态内部类实现单例模式和静态代码块从广义上说都是饿汉式的。

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多线程模式开还是不开

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