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DCL和Singleton模式的问题怎么解决

2023-06-18 00:04

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本篇内容主要讲解“DCL和Singleton模式的问题怎么解决”,感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷,实用性强。下面就让小编来带大家学习“DCL和Singleton模式的问题怎么解决”吧!

在多线程的情况下Singleton模式会遇到不少问题,一个简单的例子

1:  class Singleton {      2:      private static Singleton instance = null;      3:         4:      public static Singleton instance() {      5:          if (instance == null) {      6:              instance = new Singleton();      7:          }      8:          return instance;     9:      }     10:  }

假设这样一个场景,有两个线程调用Singleton.instance(),首先线程一判断instance是否等于null,判断完后一瞬间虚拟机把线程二调度为运行线程,线程二再次判断instance是否为null,然后创建一个Singleton实例,线程二的时间片用完后,线程一被唤醒,接下来它执行的代码依然是instance = new Singleton();
两次调用返回了不同的对象,出现问题了。

最简单的方法自然是在类被载入时就初始化这个对象:private static Singleton instance = new Singleton();

JLS(Java Language Specification)中规定了一个类只会被初始化一次,所以这样做肯定是没问题的。

但是如果要实现延迟初始化(Lazy initialization),比如这个实例初始化时的参数要在运行期才能确定,应该怎么做呢?

依然有最简单的方法:使用synchronized关键字修饰初始化方法:

public synchronized static Singleton instance() {              if (instance == null) {          instance = new Singleton();      }      return instance;  }

这里有一个性能问题:多个线程同时访问这个方法时,会因为同步而导致每次只有一个线程运行,影响程序性能。而事实上初始化完毕后只需要简单的返回instance的引用就行了。

双检测锁定解决方案

DCL是一个“看似”有效的解决方法,先把对应代码放上来吧:

    1 :   class Singleton {       2 :       private static Singleton instance = null ;       3 :          4 :       public static Singleton instance() {       5 :           if (instance == null ) {    6 :               synchronized (this) {       7 :                   if (instance == null)    8 :                      instance = new Singleton();    9 :              }    10 :          }    11 :          return instance;    12 :      }    13 :  }

用JavaWorld上对应文章的来评论这种做法就是smart, but broken。来看原因:

Java编译器为了提高程序性能会进行指令调度,CPU在执行指令时同样出于性能会乱序执行(至少现在用的大多数通用处理器都是out-of-order的),另外cache的存在也会改变数据回写内存时的顺序[2]。JMM(Java Memory Model, 见[1])指出所有的这些优化都是允许的,只要运行结果和严格按顺序执行所得的结果一样即可。

Java假设每个线程都跑在自己的处理器上,享有自己的内存,和共享的主存交互。注意即使在单核上这种模型也是有意义的,考虑到cache和寄存器会保存部分临时变量。理论上每个线程修改自己的内存后,必须立即更新对应的主存内容。但是Java设计师们认为这种约束会影响程序性能,他们试着创造了一套让程序跑得更快、但又保证线程之间的交互与预期一致的内存模型。

synchronized关键字便是其中一把利器。事实上,synchronized块的实现和Linux中的信号量(semaphore)还是有区别的,前者过程中锁的获得和释放都会都会引发一次Memory Barrier来强制线程本地内存和主存之间的同步。通过这个机制,Java中的同步机制保证了synchronized块中指令的原子性(atomic)。

双检测锁定的问题

好了,回过头来看DCL问题。看起来访问一个未同步的instance字段不会产生什么问题,我们再次来假设一个场景:

线程一进入同步块,执行instance = new Singleton(); 线程二刚开始执行getResource();

按照顺序的话,接下来应该执行的步骤是 1) 分配新的Singleton对象的内存 2) 调用Singleton的构造器,初始化成员字段 3) instance被赋为指向新的对象的引用。

前面说过,编译器或处理器都为了提高性能都有可能进行指令的乱序执行,线程一的真正执行步骤可能是1) 分配内存 2) instance指向新对象 3) 初始化新实例。如果线程二在2完成后3执行前被唤醒,它看到了一个不为null的instance,跳出方法体走了,带着一个还没初始化的Singleton对象。

错误发生的一种情形就是这样,关于更详细的编译器指令调度导致的问题,可以参看这个网页 [4]。

[3] 中提供了一个编译器指令调度的证据

instance = new Singleton(); 这条命令在Symantec JIT中被编译成

0206106A   mov         eax,0F97E78h  0206106F   call        01F6B210                  ; 分配空间  02061074   mov         dword ptr [ebp],eax       ; EBP中保存了instance的地址    02061077   mov         ecx,dword ptr [eax]       ; 解引用,获得新的指针地址    02061079   mov         dword ptr [ecx],100h      ; 接下来四行是inline后的构造器  0206107F   mov         dword ptr [ecx+4],200h      02061086   mov         dword ptr [ecx+8],400h  0206108D   mov         dword ptr [ecx+0Ch],0F84030h

可以看到,赋值完成在初始化之前,而这是JLS允许的。

另一种情形是,假设线程一安稳地完成Singleton对象的初始化,退出了同步块,并同步了和本地内存和主存。线程二来了,看到一个非空的引用,拿走。注意线程二没有执行一个Read Barrier,因为它根本就没进后面的同步块。所以很有可能此时它看到的数据是陈旧的。

还有很多人根据已知的几种提出了一个又一个fix的方法,但最终还是出现了更多的问题。可以参阅[3]中的介绍。

[5]中还说明了即使把instance字段声明为volatile还是无法避免错误的原因。

由此可见,安全的Singleton的构造一般只有两种方法,一是在类载入时就创建该实例,二是使用性能较差的synchronized方法。

到此,相信大家对“DCL和Singleton模式的问题怎么解决”有了更深的了解,不妨来实际操作一番吧!这里是编程网网站,更多相关内容可以进入相关频道进行查询,关注我们,继续学习!

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