仅且仅创建一次对象

此篇算是对《voliatile,synchronized,cas》理论的一种实践

全局引用场景

单例模式

不用讲,这是首先想到的方式。

饿汉式 static final field

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public class Singleton{
//类加载时就初始化
private static final Singleton instance = new Singleton();

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

这是最简单又安全的方式。但也有缺点:

  1. 它不是一种懒加载模式(lazy initialization)
  2. 一些场景中将无法使用:譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的,在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它,那样这种单例写法就无法使用了。

静态内部类

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public class Singleton {  
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题;由于 SingletonHolder 是私有的,除了 getInstance() 之外没有办法访问它,因此它是懒汉式的;同时读取实例的时候不会进行同步,没有性能缺陷;也不依赖 JDK 版本

双重检验锁

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public class Singleton {
private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile
private Singleton (){}
public static Singleton getSingleton() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}

}

这个写法得注意到volatile

主要在于instance = new Singleton()这句,这并非是一个原子操作,事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。

  1. 给 instance 分配内存
  2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
  3. 将instance对象指向分配的内存空间(执行完这步 instance 就为非 null 了)
    但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的,最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者,则在 3 执行完毕、2 未执行之前,被线程二抢占了,这时 instance 已经是非 null 了(但却没有初始化),所以线程二会直接返回 instance,然后使用,然后顺理成章地报错。

声明为volatile,使用其一个特性:禁止指令重排序优化。

也就是说,在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障(生成的汇编代码上),读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子,取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后,不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话,就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作(这里的“后面”是时间上的先后顺序)。

volatile的更多特性,可以看一下上篇文章《voliatile,synchronized,cas》

间接被引用情景

需要创建一次的对象不是直接被全局的引用所引用,而是间接地被引用。经常有这种情况,全局维护一个并发的ConcurrentMap, Map的每个Key对应一个对象,这个对象需要只创建一次

CAS

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private final ConcurrentMap<String, InstanceObject> cache
= new ConcurrentHashMap<>();

public InstanceObject get(String key) {
InstanceObject single = cache.get(key);
if (single == null) {
InstanceObject instanceObject = new InstanceObject(key);
single = cache.putIfAbsent(key, instanceObject);
if (single == null) {
single = instanceObject;
}
}
return single;
}

使用这个很可能会产生多个InstanceObject对象,但最终只有一个InstanceObject有用

但并不没有达到仅创建一个的目标

如果创建InstanceObject的成本不高,那也不用太讲究

但一旦是大对象缓存,那么这很可能就是问题了,因为缓存中的对象获取成本一般都比较高,而且通常缓存都会经常失效,那么避免重复创建对象就有价值了

影子类

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private final ConcurrentMap<String, Future<InstanceObject>> cache1 = new ConcurrentHashMap<>();

public InstanceObject get1(final String key) {
Future<InstanceObject> future = cache1.get(key);
if (future == null) {
Callable<InstanceObject> callable = new Callable() {
@Override
public InstanceObject call() throws Exception {
return new InstanceObject(key);
}
};
FutureTask<InstanceObject> task = new FutureTask<>(callable);

future = cache1.putIfAbsent(key, task);
if (future == null) {
future = task;
task.run();
}
}

try {
return future.get();
} catch (Exception e) {
cache.remove(key);
throw new RuntimeException(e);
}
}

这儿使用Future来代替真实的对象,多次创建Future代价比创建缓存大对象小得多

自旋锁

觉得Future对象还是重了,那就使用更轻的AtomicBoolean,那其实主要使用的还是volatile的特性

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private final ConcurrentMap<String, AtomicBoolean> spinCache = new ConcurrentHashMap<>();

public InstanceObject getAtomic(final String key) {
InstanceObject single = cache.get(key);
if (single == null) {
AtomicBoolean newBoolean = new AtomicBoolean(false);
AtomicBoolean oldBoolean = spinCache.putIfAbsent(key, newBoolean);
if (oldBoolean == null) {
cache.put(key, new InstanceObject(key));
newBoolean.set(true);
} else {
//其他线程在自旋状态上自旋,等等被释放
while (!oldBoolean.get()) {}
}
single = cache.get(key);
}
return single;
}

总结

保守写法可以使用synchronized,lock,他们的性能也不低;但为了性能极致,可以使用上面的方式。

完整的测试代码:https://github.com/zhuxingsheng/javastudy/blob/master/src/main/java/com/jack/createonlyone/CreateOnlyOneMain.java

朱兴生 wechat
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