关于volatile解决DCL(双重检查)问题的看法

1.故事的起因;

    最近在看一个项目的源代码时发现一些单例是用的双重检查的懒汉模式来实现的. 但是对于java语言来说双重检查其实是个伪代码. 可能大伙都知道对于java1.5以后对于这类问题的修正可以使用volatile解决, 那么DCL存在问题的原因是什么? 为什么volatile关键字可以解决这个问题? 我看了几篇相关的博客和文章, 感觉没有直击痛点. 所以在这里简单地说一下自己的看法. 有不对的地方希望各位大神不吝赐教.

2.知识点准备.

    对于DCL的剖析需要大家对于多线程中的原子性, 可见性和有序性有简单的认识, 所以在阅读下面的内容前如果您能自行对这方面进行了解一下,可能对于理解接下来的阐释的时候可以更加容易接受

3.DCL存在的问题

场景一: 有两个线程, 线程A, 和线程B, 线程A是初次访问getInstance()方法, 此时在代码//1 处instance == null为true, 进入同步代码块, 此时线程B也来访问getInstance()方法, 线程B在代码//1 处instance == null可能返回true(线程A还没有实例化完)然后线程B进入阻塞状态,等线程B拿到锁进入同步代码块的时候instance已经实例化完并且instance最新的值已经刷新回主存(因为同步代码块的unlock之前会把线程中的最新状态刷回主存)所以线程B在代码//3处会返回false, 不会再创建新的实例, 从而保证了单例模式. 也就是说这种情况下是不存在问题的.

 场景二: 同样有两个线程,线程A和线程B, 线程A是初次访问getInstance()方法, 此时在代码//1 处instance == null为true, 进入同步代码块, 此时线程B也来访问getInstance()方法, 线程B在代码//1 处instance == null可能返回false, 此时instance已经完全初始化完成, 那么线程B直接返回初始化好的instance实例. 这种情况下也是没有问题的,能够按照DCL预期的效果实现单例.

场景三: 同样有两个线程,线程A和线程B, 线程A是初次访问getInstance()方法, 此时在代码//1 处instance == null为true, 进入同步代码块, 此时线程B也来访问getInstance()方法, 线程B在代码//1 处instance == null可能返回false, 但是此时的instance并没有完全实例化完, 这样线程B返回了一个没有被完全实例化完的instance, 那么线程B在拿这个instance进行调用代码//6的时候就并不能按照预期拿到age=18的结果,此时DCL的问题就出来了.

关于场景一和场景二不在多做解释,相信大家都能理解, DCL之所以出现问题就是因为场景三的存在, 虽然场景三出现个概率极小, 但是再小的概率在大量的访问下也是会被触发的. 

那么为什么会存在场景三呢?

需要知道的是instance = new Singleton();这句代码并不是一个原子操作,他的操作大体上可以被拆分为三步

1.分配内存空间

2.实例化对象instance

3.把instance引用指向已分配的内存空间,此时instance有了内存地址,不再为null了

java是允许对指令进行重排序, 那么以上的三步的执行顺序就有可能是1-3-2. 在这种情况下, 如果线程A执行完1-3之后被阻塞了, 而恰好此时线程B进来了 此时的instance已经不为空了所以线程B走完代码//1以后就直接返回了这个还没有实例化好的instance, 所以在调用其后续的实例方法时就会得不到预期的结果

既然问题找到了, 那么为什么volatile可以避免这个问题呢?

如果你已经了解了volatile以后你会知道, volatile是会保证被修饰的变量的可见性(至于如何保证可见性请参考volatile介绍) 和 有序性

volatile的有序性做一下简单的介绍, 被volatile修饰的变量不参与指令重排, 在操作volatile变量时 在变量操作之前的代码一定是执行完毕并且是可见的, 在变量操作之后的代码一定是还没有被执行的(详细介绍请参见volatile介绍)

所以当instance被定义为 private volatile static Singleton instance的话就会保证在创建对象的时候的执行顺序一定是1-2-3的步骤, 从而保证了instance要么为null 要么是已经完全初始化好的对象, 从而避免了场景三的情况出现.

以上是我对于volatile解决DCL(双重检查)的一些看法, 如有不对之处, 请大伙不吝赐教. 同时也欢迎各位发表自己的看法进行交流.

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