1 單例模式
大家對單例模式并不會陌生，模式當創建一個對象需要消耗比較多資源時，有空異常例如創建數據庫連接和消息服務端等等，指針這時我們選擇只創建一份這種類型的請用對象并在進程內共享。
但是改下單例模式想要寫好并不容易，我們寫多個版本的單例單例模式看看每個版本都有什么問題。
1.1 版本一
這個版本問題非常明顯：多個線程可能同時執行到語句1，模式而此時myConnection都為空，有空異常造成連接對象被多次創建。
public?class?MySimpleConnection?{
????private?static?MySimpleConnection?myConnection?=?null;
????private?MySimpleConnection()?{
????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?->?init?connection");
????}
????public?static?MySimpleConnection?getConnection()?{
????????if?(null?==?myConnection)?{ ?//?語句1
????????????myConnection?=?new?MySimpleConnection();
????????}
????????return?myConnection;
????}
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????new?Thread(()?->?{
????????????????MySimpleConnection.getConnection();
????????????},?"threadName"?+?i).start();
????????}
????}
}
執行結果可以看出連接被創建多次：
threadName1?->?init?connection
threadName4?->?init?connection
threadName3?->?init?connection
threadName2?->?init?connection
threadName0?->?init?connection
1.2 版本二
這個版本在getConnection方法增加了同步關鍵字，可以正確處理同步問題，程序執行正確符合預期，但是將同步關鍵詞加在方法上鎖粒度較大，可能會影響性能。
public?class?MySynchronizeConnection?{
????private?static?MySynchronizeConnection?myConnection?=?null;
????private?MySynchronizeConnection()?{
????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?->?init?connection");
????}
????public?static?synchronized?MySynchronizeConnection?getConnection()?{
????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????myConnection?=?new?MySynchronizeConnection();
????????}
????????return?myConnection;
????}
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????new?Thread(()?->?{
????????????????MySynchronizeConnection.getConnection();
????????????},?"threadName"?+?i).start();
????????}
????}
}
執行結果正確符合預期：
threadName0?->?init?connection
1.3 版本三
這個版本采用DCL（Double Check lock）雙重檢查鎖，縮小了同步鎖粒度，性能會有所提升。
public?class?MyDCLConnection?{
????private?static?MyDCLConnection?myConnection?=?null;
????private?MyDCLConnection()?{
????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?->?init?connection");
????}
????public?static?MyDCLConnection?getConnection()?{
????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????synchronized?(MyDCLConnection.class)?{
????????????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????????????myConnection?=?new?MyDCLConnection();
????????????????}
????????????}
????????}
????????return?myConnection;
????}
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????new?Thread(()?->?{
????????????????MyDCLConnection.getConnection();
????????????},?"threadName"?+?i).start();
????????}
????}
}
這段代碼看似沒有問題了，但是其實有一個嚴重問題：這段代碼有可能引發空指針異常，也就是調用getConnection方法會拿到一個空對象。
你可能會說不對，我們不是判斷了當連接不為空時才獲取連接嗎？怎么會拿到一個空對象呢？這就引出我們下一個話題：指令重排。
2 指令重排
在JVM編譯代碼時或者CPU執行JVM字節碼時，為了提升性能可能對代碼進行指令重排，也就是說代碼執行順序不一定是代碼編寫順序。
指令重排目的是為了在不改變程序運行結果的前提下，優化程序運行效率，其中不改變運行結果是指在單線程場景下。
我們分析一個指令重排實例。
public?void?test()?{
????int?a?=?1;?//?語句1
????int?b?=?2;?//?語句2
????a?=?a?+?1;?//?語句3
????b?=?b?*?2;?//?語句4
}
這段代碼執行順序可能如下：
1234
1243
1324
2134
2143
2413
我們思考一下語句3和語句4會不會第一個執行？答案是不會。在進行指令重排時必須要考慮數據依賴性。
語句3依賴語句1，語句4依賴語句2，所以語句3和語句4不會第一個執行。這也告訴我們如果語句之間沒有依賴關系就可能發生指令重排。
指令重排在多線程場景下會產生什么問題呢？我們分析一個多線程指令重排實例。
public?class?MyTest?{
????int?a?=?0;
????boolean?b?=?false;
????public?void?method1()?{
????????a?=?1000;?//?語句1
????????b?=?true;?//?語句2
????}
????public?void?method2()?{
????????if?(b)?{
????????????a?=?a?+?1;?//?語句3
????????????System.out.println(a);
????????}
????}
????
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????MyTest?test?=?new?MyTest();
????????????new?Thread(()?->?test.method1()).start();
????????????new?Thread(()?->?test.method2()).start();
????????}
????}
}
我們思考一下a最終輸出值是多少？答案是有可能是1或者1001。
由于變量a和b不存在數據依賴關系，所以經過指令重排，語句2可能先于語句1執行 執行完語句2后可能還沒有執行語句1，method2搶到執行機會執行語句3，這時執行結果等于1 如果指令不重排，執行結果等于1001
所以在多線程環境，運行結果具有不確定性是指令重排可能帶來的問題。
3 回到問題
再回到第一章節的問題：為什么會出現空指針異常？我們分析這一段代碼。
public?static?MyDCLConnection?getConnection()?{
????if?(null?==?myConnection)?{ ?//?語句1
????????synchronized?(MyDCLConnection.class)?{
????????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????????myConnection?=?new?MyDCLConnection();?//?語句2
????????????}
????????}
????}
????return?myConnection;?//?語句3
}
我們重點分析語句2，new操作在更細的層面分為以下三個步驟:
(A)?分配新對象內存
(B)?調用類構造器初始化成員變量
(C)?instance被賦為指向新對象的引用
經過指令重排可能形成以下新順序：
(A)?分配新對象內存
(B)?instance被賦為指向新對象的引用
(C)?調用類構造器初始化成員變量
根據新順序我們分析一種異常場景：
線程1執行到語句2，執行到instance被賦為指向新對象引用這個步驟，還沒有進行初始化對象 此時線程2執行到語句1，由于instance已經被賦為指向新對象的引用，myConnection已經不等于null，所以可以執行到語句3 但是語句3返回的是沒有進行初始化的對象，所以使用這個對象就會拋出空指針異常
4 Volatile
上述問題應該如何解決呢？本章節我們來談一談Volatile關鍵字。Volatile是JVM提供的輕量級同步機制，具有以下特性：
保證可見性 不保證原子性 保證有序性（禁止指令重排）
其中保證可見性和不保證原子性不在本文進行討論，本文我們分析Volatile如何保證有序性。
Volatile禁止指令重排原理是使用了內存屏障。內存屏障是一種CPU指令，它使CPU或者編譯器對屏障指令之前和之后發出的內存操作執行一個排序約束。通過插入內存屏障指令，禁止在內存屏障指令前后的指令進行重排序。內存屏障有如下四種類型：
LoadLoad StoreStore LoadStore StoreLoad
這樣說有一些抽象，我們結合代碼進行分析，還是使用上文代碼實例，只是不同的是這一次我們新增了Volatile關鍵字。
public?class?MyTest?{
????int?a?=?0;
????volatile?boolean?b?=?false;
????public?void?method1()?{
????????a?=?1000;?//?語句1
????????b?=?true;?//?語句2
????}
????public?void?method2()?{
????????if?(b)?{
????????????a?=?a?+?1;?//?語句3
????????????System.out.println(a);
????????}
????}
????
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????MyTest?test?=?new?MyTest();
????????????new?Thread(()?->?test.method1()).start();
????????????new?Thread(()?->?test.method2()).start();
????????}
????}
}
我們將b變量聲明為Volatile，那么在為b賦值即Volatile寫前后會加上如下屏障，從而保證了語句1和語句2執行順序不會重排。
volatile?boolean?b?=?false;
public?void?method1()?{
??a?=?1000;?//?語句1
??StoreStore屏障
??b?=?true;?//?語句2
??StoreLoad屏障
}
在JDK5之后Volatile還可以保證對象構造是有序的，也就是說new操作如下步驟可以保證有序，這就為我們解決DCL空指針異常提供了思路。
(A)?分配新對象內存
(B)?調用類構造器初始化成員變量
(C)?instance被賦為指向新對象的引用
5 解決方案
經過上述分析我們可以使用Volatile解決單例DCL空指針異常。
public?class?MyVolatileConnection?{
????private?static?volatile?MyVolatileConnection?myConnection?=?null;
????private?MyVolatileConnection()?{
????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?->?init?connection");
????}
????public?static?MyVolatileConnection?getConnection()?{
????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????synchronized?(MyVolatileConnection.class)?{
????????????????if?(null?==?myConnection)?{
????????????????????myConnection?=?new?MyVolatileConnection();
????????????????}
????????????}
????????}
????????return?myConnection;
????}
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????new?Thread(()?->?{
????????????????MyVolatileConnection.getConnection();
????????????},?"threadName"?+?i).start();
????????}
????}
}
代碼改動并不大只需在聲明MyConnection變量處加上Volatile關鍵字。
本文我們從單例模式的一個問題出發，一步步分析到Volatile關鍵字原理并最終解決單例模式DCL空指針問題，希望本文對大家有所幫助。
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