[設計模式] Singleton Pattern (單例模式) Part2 (解決多執行緒問題) - Update Volatile關鍵字

[2011-1-1補充] volatile關鍵字

感謝馮大哥留言，在運用Double-Checked locking的作法時，在Java 5.0之後必須要加上volatile的修飾子在物件的變數宣告上，也就是變成：

private volatile static Singleton instance;

這樣子的寫法。原因在於，如果不加上volatile這個關鍵字時，在Java中由"順序"的問題，還是有可能會發生問題。最顯而易見的錯誤在於，當A執行緒進入getInstance()方法後，並且得到if(instance==null)為true的結果，進入到同步區，要執行Singleton()建構子內的敘述，但還沒有執行完時，執行緒B就進入getInstance()方法中，並且得到instance不是null的結果(因為在記憶體空間中已經配置的位置給instance了)，如此一來就會造成執行緒B的物件內容並沒有成功的被指派，A和B之間就會有不同步的情形了。

詳細的過程可以參考這篇文章：Double-checked Locking (DCL) and how to fix it

我覺得寫的還蠻清楚的，另外我也加了相關閱讀在最下方，歡迎大家參考，這幾篇對於Double Check Locking的機制都寫得蠻清楚的，值得一看囉。
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在Singleton Pattern (單例模式) Part1中的【Lazy Instantization】方法可以說是最基礎的方式，但是在多執行緒的程式當中，這樣的寫法還是有可能會產生不同的實體，也就是這樣的寫法並不是一個thread-safe的方式，我們可以寫一個小程式來檢查看看：



public class SingletonTest extends Thread {



    String threadName = "";



    public SingletonTest(String name) {

        threadName = name;

    }



    public void run() {

        for(int i=0 ; i<10 ; i++) {

            try {

                Thread.sleep((int)500);

                Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

                System.out.println(threadName + " ==> " + instance1.hashCode());



            } catch (InterruptedException e) { 

                e.printStackTrace();

        } 

    }

}



    public static void main(String [] a) {  

        Thread t1 = new SingletonTest("thread-1");

        Thread t2 = new SingletonTest("thread-2");



        t1.start();

        t2.start();

    }

}

兩個threads可能會產生相同的實體(相同的hashCode)或是不同的實體(但不一定每次都會發生)，原因在於兩個threads可能同時呼叫Singleton.getInstance()時，在進行if(instance==null)判斷時，結果都可能會是true，以至於都產生一個新的實體，這樣就會違背Singleton Pattern的宗旨了，所以我們必須進一步的修改這個模式。

修改的想法是，當A、B兩個執行緒同時呼叫Singleton.getInstance()這個方法來取得物件的實體時，必須要先等對方結束之後才呼叫，才不會造成問題。換句話說，getInstance()這個方法在Java中只要加上Synchronized這個修飾子就可以解決了，如此一來，整個getInstance()方法就變成一個同步等待區，可以避免多執行緒造成重複實體的問題。



public class Singleton {



    private static Singleton instance;



    private Singleton () { }



    public static Synchronized Singleton getInstance() {

        if(instance==null)

            instance = new Singleton();

        return instance;

    }

}

上面提到，某個執行緒必須等到另外一個執行緒離開之後才能存取getInstance()這個method，當執行緒一多的時候，可以想像的會造成效率的低落。所以又有進一步的改良寫法，那就是採用雙重上鎖(Double-Checked locking)的方式。

雙重上鎖的概念是，一開始先檢查instance這個變數是不是null，如果不是null代表之前已經實體化了，直接回傳就好，如果沒有實體化時，才會進入同步等待區域。實際撰寫上只要將上面的getInstance()方法改寫成以下的形式就可以了：



public class Singleton {



    private volatile static Singleton instance;



    private Singleton () { }



    public static Singleton getInstance() {

        if(instance==null) {

            Synchronized(Singleton.class) {

                instance = new Singleton();

            }

        }

        return instance;

    }

}