从JVM的角度来看单例模式

最近在看jvm,发现随着自己对jvm底层的了解,现在对Java代码可以说是有了全新的认识。今天就从jvm的角度来看一看以前自以为很了解的单例模式。

了解单例模式的人都知道,单例模式有两种:“饿汉模式”和“懒汉模式”。

引用一段网上对这两种模式的介绍:

“饿汉模式的特点是加载类时比较慢,但运行时获取对象的速度比较快,线程安全。饿汉式是线程安全的,在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用,以后不在改变。懒汉模式的特点是加载类时比较快,但是在运行时获取对象的速度比较慢,线程不安全, 懒汉式如果在创建实例对象时不加上synchronized则会导致对象的访问不是线程安全的。所以在此推荐大家使用饿汉模式。”

笔者先给出结论“上面这段描述可以说是完全不正确,最后给出的结论还算勉强正确,为什么说勉强正确,因为我不会推荐大家使用饿汉模式,我会直接说就用饿汉模式,懒汉模式在任何情况下都不需要”。

网上这段文字的错误主要有两点
1.懒汉模式线程不安全,如果想线程安全必须加synchronized
2.饿汉模式在加载类时会慢

先来看一下懒汉模式,不用synchronized也能实现线程安全

先来回顾一下懒汉模式的“发展史”

懒汉模式V1.0:

package common;

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

懒汉模式V1.0看起来就很不安全,当同时有两个线程调用 getInstance()方法时,很容易让两个线程都进入if块导致new 了两次对象。

于是在某一次大会上,有砖家发布了下面这种叫做DCL(double check lock)的错误写法,因为是砖家发布的,因此这种错误写法在网上广为流传,我在公司也看到有人这么写,这种我们可以称为懒汉模式V2.0

package common;

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

懒汉模式V2.0解决了1.0中可能会new两次对象的问题,但是依然有问题。

这里我们先引入一个概念——指令重排序:了优化程序性能而采取的对指令进行重新排序执行的一种手段。

比如:

int a=1;

int b=a+1;

int c=2;

在执行这三句代码的时候,cpu可以先执行int c=2,再执行另外两句,这就是指令重排序。

但是很显然,指令重排序并不是可以随便乱排的,比如int b=a+1这句依赖了a的值,因此必须要在int a=1之后执行才能保证最终b的值是正确的。因此,指令重排序后,要保证在单个线程里,执行结果和重排序前是等效的。

这里为什么强调是单个线程呢?比如刚刚的例子,假如abc都是全局变量,我们把c=2这一句重排序到第一句,从执行这三句代码的线程的角度,执行完三句代码后abc的值和重排序之前是一致的。

但是假设现在有另外一个线程在不停的打印abc的值,那么因为重排序的关系,在打印结果里就会出现c=2而ab还没有被赋值的结果。因此,在指令重排序后,从重排序的这个线程自身来看,重排序后的代码可以看作是有序的(因为保证运行结果不变),而从其他线程的角度来看,重排序后的代码是乱序执行的。

回到我们的懒汉模式V2.0,我们现在知道了,当多线程并发的时候,假如第一个线程成功获取锁并进入if块执行singleton=new Singleton(),

这句代码我们可以看成三步操作:
1.在堆内存中划分一个Singleton对象实体的空间
2.初始化堆内存中对象实例的数据(字段等)
3.将singleton变量通过指针指向生成的对象实体

这个时候因为指令重排序,可能在步骤2还没有执行完的时候,步骤3已经执行完了,

这时候singleton变量已经不为null,此时如果有并发的线程执行getInstance()方法,将获取到一个没有初始化完成的Singleton对象从而引发错误。

为了解决这个问题,我们给singleton变量添加关键字volatile得到懒汉模式V3.0:

package common;

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