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2019-02-11 18:00:38
多线程下的单例模式实现
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:
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。更多相关内容 -
单例模式多线程下不安全
2019-04-23 00:20:14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...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
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Java多线程之单例模式在多线程环境下的安全问题
2019-05-26 17:29:46Java基础之单例模式在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:
- 单例模式基本概念
- 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:
- 单例类只能有一个实例。
- 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
- 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:
- 一个班级只有一个班主任。
- 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。
- 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:
- 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)。
- 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:
- 要求生产唯一序列号。
- 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。
- 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
3. 多线程下的单例模式
- 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(); } } }
4. 单例模式volatile分析
- 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。
- 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(); } } }
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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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单例模式与多线程
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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