double-checked locking

Java中的模式 --单态 （部分翻译 double-checked locking break）

单态定义:
Singleton模式主要作用是保证在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在。

Singleton模式就为我们提供了这样实现的可能。使用Singleton的好处还在于可以节省内存，因为它限制了
实例的个数，有利于Java垃圾回收（garbage collection）。

使用Singleton注意事项：
有时在某些情况下，使用Singleton并不能达到Singleton的目的，如有多个Singleton对象同时被不同的类
装入器装载；在EJB这样的分布式系统中使用也要注意这种情况，因为EJB是跨服务器，跨JVM的

单态模式的演化：
单态模式是个简单的模式，但是这个简单的模式也有很多复杂的东西。

（注意：在这里补充一下，现在单态模式其实有一个写法是不错的见这里：http://www.blogjava.net/dreamstone/archive/2007/02/27/101000.html，但还是建议看完这篇文章，因为解释的事情是不一样的，这里说的是为什么double-checked不能使用.）
一，首先最简单的单态模式，单态模式1

import java.util.*;
class Singleton
{
  private static Singleton instance;
  private Vector v;
  private boolean inUse;

  private Singleton()
  {
    v = new Vector();
    v.addElement(new Object());
    inUse = true;
  }

  public static Singleton getInstance()
  {
    if (instance == null)          //1
      instance = new Singleton();  //2
    return instance;               //3
  }
}

这个单态模式是不安全的，为什么说呢 ？因为没考虑多线程，如下情况
Thread 1 调用getInstance() 方法，并且判断instance是null，然後进入if模块，
在实例化instance之前，
Thread 2抢占了Thread 1的cpu
Thread 2 调用getInstance() 方法，并且判断instance是null，然後进入if模块，
Thread 2 实例化instance 完成，返回
Thread 1 再次实例化instance
这个单态已经不在是单态

二，为了解决刚才的问题：单态模式2

public static synchronized Singleton getInstance()
{
  if (instance == null)          //1
    instance = new Singleton();  //2
  return instance;               //3
}

采用同步来解决，这种方式解决了问题，但是仔细分析
正常的情况下只有第一次时候，进入对象的实例化，须要同步，
其它时候都是直接返回已经实例化好的instance不须要同步，
大家都知到在一个多线程的程序中，如果同步的消耗是很大的，很容易造成瓶颈

三，为了解决上边的问题：单态模式3，加入同步

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

同步改成块同步，而不使用函数同步，但是仔细分析，
又回到了模式一的状态，再多线程的时候根本没有解决问题

四，为了对应上边的问题：单态模式4，也就是很多人采用的Double-checked locking

public static Singleton getInstance()
{
  if (instance == null)
  {
    synchronized(Singleton.class) {  //1
      if (instance == null)          //2
        instance = new Singleton();  //3
    }
  }
  return instance;
}

这样，模式一中提到的问题解决了。不会出现多次实例化的现象
当第一次进入的时候，保正实例化时候的单态,在实例化后，多线程访问的时候直接返回，不须要进入同步模块，
既实现了单态，又没有损失性能。表面上看我们的问题解决了，但是再仔细分析：
我们来假象这中情况：
Thread 1 :进入到//3位置，执行new Singleton()，但是在构造函数刚刚开始的时候被Thread2抢占cpu
Thread 2 :进入getInstance()，判断instance不等于null,返回instance，
（instance已经被new，已经分配了内存空间,但是没有初始化数据)
Thread 2 :利用返回的instance做某些操做，失败或者异常
Thread 1 :取得cpu初始化完成
过程中可能有多个线程取到了没有完成的实例，并用这个实例作出某些操做。
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
出现以上的问题是因为
mem = allocate();             //分配内存
instance = mem;               //标记instance非空
                              //未执行构造函数,thread 2从这里进入
ctorSingleton(instance);      //执行构造函数
                              //返回instance
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－                            

五，证明上边的假想是可能发生的，字节码是用来分析问题的最好的工具，可以利用它来分析
下边一段程序：（为了分析方便，所以渐少了内容）
字节码的使用方法见这里，利用字节码分析问题

class Singleton
{
  private static Singleton instance;
  private boolean inUse;
  private int val; 

  private Singleton()
  {
    inUse = true;
    val = 5;
  }
  public static Singleton getInstance()
  {
    if (instance == null)
      instance = new Singleton();
    return instance;
  }
}

得到的字节码                          
;asm code generated for getInstance
054D20B0   mov         eax,[049388C8]      ;load instance ref
054D20B5   test        eax,eax             ;test for null
054D20B7   jne         054D20D7
054D20B9   mov         eax,14C0988h
054D20BE   call        503EF8F0            ;allocate memory
054D20C3   mov         [049388C8],eax      ;store pointer in
                                           ;instance ref. instance
                                           ;non-null and ctor
                                           ;has not run
054D20C8   mov         ecx,dword ptr [eax]
054D20CA   mov         dword ptr [ecx],1   ;inline ctor - inUse=true;
054D20D0   mov         dword ptr [ecx+4],5 ;inline ctor - val=5;
054D20D7   mov         ebx,dword ptr ds:[49388C8h]
054D20DD   jmp         054D20B0

上边的字节码证明，猜想是有可能实现的

评论

1 楼 jv520jv 2012-03-13  

   讲的不错.