由延时加载的单例模式引发的思考

在这里倒不是为了讨论单例模式应用什么场合， 主要是说延时加载的单例模式引发的一系列问题，以及该如何解决。
以下对延时加载的问题的分析，参考自：
http://www.ibm.com/developerworks/java/library/j-dcl.html
http://www.iteye.com/topic/157952
以上都提到了延时加载单例模式中的double-checked locking（简称DCL)，也即双重锁定失败，以及针对DCL的解决办法。

先来看看延时加载的单例代码：

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

由于以上没有采用同步，因此多线程环境下可能会创建多个实例。
那么我们加上synchronized，在方法中加了同步块：

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

同步块包围了单例对象的创建， 看似这样就是个典型的延时加载的单例模式了。但还有一个问题，假设在线程A运行到//1的时候， 被线程B抢占了cpu，并运行到了//3，那么线程A继续执行就又会重复创建对象了，从而就破坏了单例的规则。
ok，那么我们再做一个修改，代码变成这样：

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

我们看到， 除了//1进行了一次非null检查，在同步块代码//3处又加入了一次检查，这就是double-checked locking (DCL)，这样就避免发生像上面的在其他线程又重复创建单例对象的问题，看起来好像是完美了。
不幸的是， 即使是DCL也可能会失败。
instance = new Singleton();
这么简单一行创建对象的代码，就分为几步：
1)Allocate memory，
2)invoke constructor,
3)give reference
如果这几步顺序就是1),2),3) 那没问题，不过JIT编译器不保证2)和3)的顺序， 于是可能变成了1),3),2)  看看这时可能会发生什么：
线程A先进入同步块，执行 instance = new Singleton()， 这时instance 只拿到了ref，但构造器还未执行，退出了同步块；
线程B切入， 这时instance 是 非null的（上面线程A已经分配了ref），于是就return了 instance，而这个instance 却是没有经过构造初始化的，再访问instance就会导致错误。
这就是JITcompilers的out-of-order问题， 导致了初始化和变量赋值的顺序不可预料，产生以上问题。
关于DCL更加详细的分析：

引用

dcl的真正问题在于，它是基于这样的假设：当没有使用同步时读取一个共享变量，可能发生的最坏的事情不过是错误地看到过期值；这种情况下，dcl方法通过占有缩后再检查一次，希望能避免风险。但是，最坏的情况事实上比这还糟糕——线程可能看到引用的当前值（注：指），但是对象的状态值确认过期的。这意味着对象可以被观察到，但是却处于无效或者错误的状态。

下面逐句解释一下：
当没有使用同步时读取一个共享变量
注：指第一个m_instance== null的判断

，可能发生的最坏的事情不过是错误地看到过期值
注：即其他线程已经修改了m_instance，从默认的null赋值为新建对象的句柄，但是由于没有使用同步，因此当前线程可能无法看到修改后的值

；这种情况下，dcl方法通过占有锁后再检查一次，希望能避免风险
注：使用synchronized关键字，获取到锁后，再读取m_instance，这个时候读取的值由于有了同步肯定是正确的，因此第二个m_instance == null的判断可以正确进行，之后的创建对象和赋值也是正确的

但是，最坏的情况事实上比这还糟糕——线程可能看到引用的当前值
注：指第一个m_instance== null不成立时，即这个线程看到了赋值后的m_instance引用的值，然后就直接return m_instance了。

，但是对象的状态值确是过期的。
注：这里翻译的过期有些不好理解，对照英文原文是stale values for the object's state，stale的意思是"不新鲜的, 陈腐的, 疲倦的, 陈旧的".

这意味着对象可以被观察到，但是却处于无效或者错误的状态。
注：这里涉及到一个安全发布的概念，即由于存在重排序的可能性，m_instance = new LazySingleton();中创建对象的过程（即写入对象域）和给m_instance赋值（写如新对象引用）的过程可能发生重排序，出现对象部分创建后就发现m_instance赋值，然后其他线程得到m_instance的值，并通过这个对象访问到还处于部分创建过程中的对象。

在阎宏的《Java与模式》中关于双重检查锁定失效的描述，阐述的是同样的一个道理：
“在Java编译器中，LazySingleton类的初始化与m_instance变量赋值的顺序不可预料。如果一个线程在没有同步化的条件下读取m_instance引用，并调用这个对象的方法的话，可能会发现对象的初始化过程尚未完成，从而造成崩溃。”

好了，到这里所有问题都列出来了， 已经能够看到单例模式用延时加载变得如此麻烦和让人担心。
先撇开延时加载，对于单例模式而言，如果不关心是否必须采用延时加载， 最简单的方法无外乎是静态加载：

class Singleton
{
  private Vector v;
  private boolean inUse;
  private static Singleton instance = new Singleton();

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

  public static Singleton getInstance()
  {
    return instance;
  }
}

这样做既easy又safe。

还是看看如何完善延时加载的单例模式：

ajoo 写道

1。java 5以前不支持dcl。
2。java 5以后，根据spec，用volatile来声明那个static变量就可以。
3。实际上，一些vm不见得正确实现了volatile语义（比如x86上volatile就没有实现memory barrier），所以即使volatile也不见得好使。
4。最好的办法，不是用volatile，而是保证LazySingleton是immutable的，那么只要是java 5就保证必然成功。可以参考String的代码（虽然没用dcl，但是利用了final的语义来保证安全）。具体spec请参见：http://www.google.com/url?q=http://www.cs.umd.edu/users/jmanson/java/journal.pdf&sa=X&oi=unauthorizedredirect&ct=targetlink&ust=1201014498800543&usg=AFQjCNH1rrzRUKbvIfNL_3JDQ9unbZQydg
5。如果万一LazySingleton不是immutable。可以用一个final place holder来搞：

   1. class LazySingleton {  
   2.   private LazySingleton() {}  
   3.   private static class FinalPlaceHolder {  
   4.     final LazySingleton singleton;  
   5.     FinalPlaceHolder(LazySingleton s) {  
   6.       this.singleton = s;  
   7.     }  
   8.   }  
   9.   private static FinalPlaceHolder holder = null;  
  10.   public static LazySingleton instance() {  
  11.     if (holder == null) {  
  12.       synchronized(LazySingleton.class) {  
  13.         if (holder == null) {  
  14.           holder = new FinalPlaceHolder(new LazySingleton());  
  15.         }  
  16.       }  
  17.     }  
  18.     return holder.singleton;  
  19.   }  
  20. }  

如果是jdk5， 单例对象用final和volatile可以解决dcl问题， 不过final更加推荐，
而且一般单例的对象都可以用final。
其实还有一个通用的方法：
DCL的替代Initialize-On-Demand:

public class Foo {
// 似有静态内部类, 只有当有引用时, 该类才会被装载
private static class LazyFoo {
public static Foo foo = new Foo();
}

public static Foo getInstance() {
return LazyFoo.foo;
}
} 

只有调用getInstance方法，使用LazyFoo类， 才会初始化LazyFoo，也达到了lazy的目的，而且不需要jdk5。

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1 楼 337240552 2012-05-13