java并发编程之DCL单例模式与Happen-Before

本来想写一篇文章说说DCL的缺陷顺带说一下JMM，看到有一篇文章写的不错，就直接转过来修改了一下。原文出处在这里。

1 前言

单例模式是我们经常使用的一种模式，一般来说很多资料都建议我们写成如下的模式：

public class Instance {
    private String str = "";
    private int a = 0;

    private static Instance ins = null;
    /** * 构造方法私有化 */
    private Instance(){
        str = "hello";
        a = 20;
    }

    /** * DCL方式获取单例 * @return */
    public static Instance getInstance(){
        if (ins == null){
            synchronized (Instance.class){
                ins = new Instance();
            }
        }
        return ins;
    }
}

但是这种方式其实是有缺陷的，具体什么缺陷呢？我们首先要了解JVM了内存模型，请看下面分析

2 JVM内存模型

JVM模型如下图：
java并发编程之DCL单例模式与Happen-Before

这里着重介绍下VM Stack,其他的我相信都比较熟悉。
VM Stack是线程私有的区域。他是java方法执行时的字典：它里面记录了局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

在《java虚拟机规范》一书中对这部分的描述如下：

栈帧是用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接、方法返回值和异常分派。

栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是异常完成（抛出了在方法内未被捕获的异常）都算作方法结束。
栈帧的存储空间分配在 Java 虚拟机栈之中，每一个栈帧都有自己的局部变量表、操作数栈和指向当前方法所属的类的运行时常量池的引用。

java中某个线程在访问堆中的线程共享变量时，为了加快访问速度，提升效率，会把该变量临时拷贝一份到自己的VM Stack中，并保持和堆中数据的同步。

3 传统DCL方式的缺陷

有了以上的基础知识我们就可以知道DCL方式的缺陷在哪儿了。

当线程A在获取了Instance.class锁时，对ins进行 ins = new Instance() 初始化时，由于这是很多条指令，jvm可能会乱序执行。这个时候如果线程B在执行if (ins == null)时，正常情况下，如果为true，说明需要获取Instance.class锁，等待初始化。但是这时候，假设线程A再没有对ins进行初始化完，比如只对str进行了赋值，还没有来的及对a进行赋值，假如jvm将未完成赋值的值拷贝回堆中，这个时候线程B有可能读到的值就不是为null了，就会造成数据丢失的情况。这时候我们发现线程B获取的对象中a的值是0，而不是20。

总结起来：对ins的写操作不 happen-before 对它的读操作

这就是DCL方式的缺陷，那么怎么避免呢？

4 happen-before原则

JMM为程序中所有的操作定义了一个偏序关系，成为Happen-Before。要想保证执行操作B的线程看到线程A的结果，那么A和B之间必须满足Happen-Before规则。

当一个变量被多个线程读取并且至少被一个线程写入时，如果在读操作和写操作之间没有依照Happen-Before来排序，那么就会产生数据竞争的问题。

具体来说，happen-before规则包括：

程序顺序规则：如果程序中操作A在操作B之前，那么B操作可以看到A操作的所有内存改变。
监视器锁规则：如果线程1解锁了monitor a，接着线程2锁定了a，那么，线程1解锁a之前的写操作都对线程2可见（线程1和线程2可以是同一个线程）。
volatile变量规则：如果线程1写入了volatile变量v，接着线程2读取了v，那么，线程1写入v及之前的写操作都对线程2可见（线程1和线程2可以是同一个线程）
线程启动规则：在线程上对Thread.start的调用必须在该线程中执行任何操作之前执行。
线程结束规则：在其他线程检测到线程A已经结束（或者从Thread.join中成功返回，或者在调用Thread.isAlive时返回false）之前，线程A中的任何操作都必须执行完成。
中断规则：当一个线程在另一个线程上调用interrupt时，必须在被中断线程检测到interrupt调用之前执行（通过抛出InterruptedException，或者调用isInterrupted和interrupted）。
终结器规则：对象的构造函数必须在启动该对象的终结器之前执行完成。
传递性：如果操作A在操作B之前执行，并且操作B在操作C之前执行，那么操作A必须在操作C之前执行。

4 单例模式的正确写法

有了以上的分析我们知道，我们只需要在保证对ins的访问是读在写之后即可，因此正确的做法是在ins 前加上一个关键字volatile。因此DCL的正确写法应该如下：

public class Instance {
    private String str = "";
    private int a = 0;

    private volatile static Instance ins = null;
    /** * 构造方法私有化 */
    private Instance(){
        str = "hello";
        a = 20;
    }

    /** * DCL方式获取单例 * @return */
    public static Instance getInstance(){
        if (ins == null){
            synchronized (Instance.class){
                ins = new Instance();
            }
        }
        return ins;
    }
}

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