细说单例模式中的双重检查锁

在实现单例模式时,如果未考虑多线程的情况,就容易写出下面的错误代码:

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public class Singleton {
private static Singleton uniqueSingleton;

private Singleton() {
}

public Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton();
}
return uniqueSingleton;
}
}

在多线程的情况下,这样写可能会导致uniqueSingleton有多个实例。比如下面这种情况,考虑有两个线程同时调用getInstance()

Time Thread A Thread B
T1 检查到uniqueSingleton为空
T2 检查到uniqueSingleton为空
T3 初始化对象A
T4 返回对象A
T5 初始化对象B
T6 返回对象B

可以看到,uniqueSingleton被实例化了两次并且被不同对象持有。完全违背了单例的初衷。

加锁

出现这种情况,第一反应就是加锁,如下:

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public class Singleton {
private static Singleton uniqueSingleton;

private Singleton() {
}

public synchronized Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton();
}
return uniqueSingleton;
}
}

这样虽然解决了问题,但是因为用到了synchronized,会导致很大的性能开销,并且加锁其实只需要在第一次初始化的时候用到,之后的调用都没必要再进行加锁。

双重检查锁

双重检查锁(double checked locking)是对上述问题的一种优化。先判断对象是否已经被初始化,再决定要不要加锁。

错误的双重检查锁

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public class Singleton {
private static Singleton uniqueSingleton;

private Singleton() {
}

public Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
synchronized (Singleton.class) {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton(); // error
}
}
}
return uniqueSingleton;
}
}

如果这样写,运行顺序就成了:

  1. 检查变量是否被初始化(不去获得锁),如果已被初始化则立即返回。
  2. 获取锁。
  3. 再次检查变量是否已经被初始化,如果还没被初始化就初始化一个对象。

执行双重检查是因为,如果多个线程同时了通过了第一次检查,并且其中一个线程首先通过了第二次检查并实例化了对象,那么剩余通过了第一次检查的线程就不会再去实例化对象。

这样,除了初始化的时候会出现加锁的情况,后续的所有调用都会避免加锁而直接返回,解决了性能消耗的问题。

隐患

上述写法看似解决了问题,但是有个很大的隐患。实例化对象的那行代码(标记为error的那行),实际上可以分解成以下三个步骤:

  1. 分配内存空间
  2. 初始化对象
  3. 将对象指向刚分配的内存空间

但是有些编译器为了性能的原因,可能会将第二步和第三步进行重排序,顺序就成了:

  1. 分配内存空间
  2. 将对象指向刚分配的内存空间
  3. 初始化对象

现在考虑重排序后,两个线程发生了以下调用:

Time Thread A Thread B
T1 检查到uniqueSingleton为空
T2 获取锁
T3 再次检查到uniqueSingleton为空
T4 uniqueSingleton分配内存空间
T5 uniqueSingleton指向内存空间
T6 检查到uniqueSingleton不为空
T7 访问uniqueSingleton(此时对象还未完成初始化)
T8 初始化uniqueSingleton

在这种情况下,T7时刻线程B对uniqueSingleton的访问,访问的是一个初始化未完成的对象。

正确的双重检查锁

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public class Singleton {
private volatile static Singleton uniqueSingleton;

private Singleton() {
}

public Singleton getInstance() {
if (null == uniqueSingleton) {
synchronized (Singleton.class) {
if (null == uniqueSingleton) {
uniqueSingleton = new Singleton();
}
}
}
return uniqueSingleton;
}
}

为了解决上述问题,需要在uniqueSingleton前加入关键字volatile。使用了volatile关键字后,重排序被禁止,所有的写(write)操作都将发生在读(read)操作之前。

至此,双重检查锁就可以完美工作了。

参考资料:

  1. 双重检查锁定模式
  2. 如何在Java中使用双重检查锁实现单例
  3. 双重检查锁定与延迟初始化
数个常用设计模式的简单总结与代码示例 使用Hexo+Firebase搭建平台托管的静态博客

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