java單例模式-指令重排陷阱

一、案例

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

這是一個懶漢式的單例實作，衆所周知，因為沒有相應的鎖機制，這個程式是線程不安全的，實作安全的最快捷的方式是添加 synchronized

public class SingletonTest {
	 private static SingletonTest SingletonTest;
	 private SingletonTest() {
	 }
	 public static synchronized  SingletonTest getInstance() {
	    if (SingletonTest == null) {
	        SingletonTest = new SingletonTest();
	    }
	    return SingletonTest;
	 }
}
           

使用synchronized之後，可以保證線程安全，但是synchronized将全部代碼塊鎖住，這樣會導緻較大的性能開銷，是以，人們想出了一個“聰明”的技巧：雙重檢查鎖DCL(double checked locking)的機制實作單例。

public class SingletonTest {
	 private static SingletonTest SingletonTest;
	 private SingletonTest() {
	 }
	 public static synchronized  SingletonTest getInstance() {
		 if (SingletonTest == null) {
	            synchronized (SingletonTest.class) {
	                if (SingletonTest == null) {
	                    SingletonTest = new SingletonTest();
	                }
	            }
	        }
	        return SingletonTest;
	 }
}
           

如上面代碼所示，如果第一次檢查instance不為null，那麼就不需要執行下面的加鎖和初始化操作。是以可以大幅降低synchronized帶來的性能開銷。上面代碼表面上看起來，似乎兩全其美：

1. 在多個線程試圖在同一時間建立對象時，會通過加鎖來保證隻有一個線程能建立對象。
2. 在對象建立好之後，執行getInstance()将不需要擷取鎖，直接傳回已建立好的對象。

程式看起來很完美，但是這是一個不完備的優化，線上程執行到第9行代碼讀取到instance不為null時（第一個if），instance引用的對象有可能還沒有完成初始化。

問題的根源

問題出現在建立對象的語句

singleton3 = new Singleton3();

 上，在java中建立一個對象并非是一個原子操作，可以被分解成三行僞代碼：

//1：配置設定對象的記憶體空間
memory = allocate();
//2：初始化對象
ctorInstance(memory);  
//3：設定instance指向剛配置設定的記憶體位址
instance = memory;   
           

上面三行僞代碼中的2和3之間，可能會被重排序（在一些JIT編譯器中）,即編譯器或處理器為提高性能改變代碼執行順序，這一部分的内容稍後會詳細解釋，重排序之後的僞代碼是這樣的：

//1：配置設定對象的記憶體空間
memory = allocate(); 
//3：設定instance指向剛配置設定的記憶體位址
instance = memory;
//2：初始化對象
ctorInstance(memory);
           

在單線程程式下，重排序不會對最終結果産生影響，但是并發的情況下，可能會導緻某些線程通路到未初始化的變量。

模拟一個2個線程建立單例的場景，如下表：

時間	線程A	線程B
t1	A1:配置設定對象記憶體空間
t2	A3：設定instance指向記憶體空間
t3	B1：判斷instance是否為空
t4	B2：由于instance不為null，線程B将通路instance引用的對象
t5	A2：初始化對象
t6	A4：通路instance引用的對象

按照這樣的順序執行，線程B将會獲得一個未初始化的對象，并且自始至終，線程B無需擷取鎖！

雙重檢查鎖問題解決方案

解決方案就是大名鼎鼎的volatile關鍵字，對于volatile我們最深的印象是它保證了”可見性“，它的”可見性“是通過它的記憶體語義實作的:

• 寫volatile修飾的變量時，JMM會把本地記憶體中值重新整理到主記憶體
• 讀volatile修飾的變量時，JMM會設定本地記憶體無效

public class SingletonTest {
	 private static volatile  SingletonTest SingletonTest;
	 private SingletonTest() {
	 }
	 public static synchronized  SingletonTest getInstance() {
		 if (SingletonTest == null) {
	            synchronized (SingletonTest.class) {
	                if (SingletonTest == null) {
	                    SingletonTest = new SingletonTest();
	                }
	            }
	        }
	        return SingletonTest;
	 }
}