单例模式多线程下不安全

大厂面试题：

1、请你谈谈对volatile的理解？

2、CAS你知道吗？

3、原子类AtomicInteger的ABA问题谈谈？原子更新引用知道吗？

4、我们都知道ArrayList是线程不安全的，请编码写一个不安全的案例并给出解决方案？

5、公平锁/非公平锁/可重入锁/递归锁/自旋锁谈谈你的理解？请手写一个自旋锁。

6、CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore使用过吗？

7、阻塞队列知道吗？

8、线程池用过吗？ThreadPoolExecutor谈谈你的理解？

9、线程池用过吗？生产上你是如何设置合理参数？

10、死锁编码及定位分析？

 

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

 

Java多线程之单例模式在多线程环境下的安全问题

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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

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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。

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2. 单线程下的单例模式

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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());
    }
}

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2. 编译结果

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3. 多线程下的单例模式

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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）

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();
        }
    }
}

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4. 单例模式volatile分析

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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();
        }
    }
}

3. 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

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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。