Java【多线程】（3）单例模式与线程安全

目录

1.前言

2.正文

2.1线程安全类

2.2杂谈（介绍几个概念）

2.2.1内存可见性

2.2.2指令重排序

2.2.3线程饥饿

1. 什么是线程饥饿？

2. 线程饥饿的常见原因

2.2.4区分wait和sleep

2.4单例模式

2.4.1饿汉模式

2.4.2懒汉模式

2.4.2指令重排序与线程安全

3.小结

1.前言

哈喽大家好吖，今天继续给大家分享Java中多线程的学习，今天主要先给上文做个收尾以及讲解单例模式，那么废话不多说，让我们开始吧。

2.正文

2.1线程安全类

先再重新回顾一个概念，到底如何判断会涉及线程安全问题，凡是该方法涉及到修改数据的操作，而且没有内部进行加锁操作，这样就会导致线程安全问题，那么接下来就来详细介绍线程安全类以及线程不安全类：

常见的线程安全类

  1. 集合框架

    • Vector（同步方法）

    • Hashtable（同步方法）

    • CopyOnWriteArrayList（写时复制）

    • BlockingQueue 实现类（如 ArrayBlockingQueue，用于生产者-消费者模式）

  2. 原子类

    • AtomicInteger、AtomicLong

    • AtomicReference、AtomicBoolean

  3. 工具类

    • String（不涉及修改）

    • StringBuffer（同步方法，线程安全版的 StringBuilder）

    • Collections.synchronizedList()（包装非线程安全集合，如 ArrayList）

常见的线程不安全类

  1. 集合框架（集合类本身没有进行任何加锁限制）

    • ArrayList、LinkedList

    • HashMap、HashSet

    • StringBuilder（非同步的字符序列操作）

  2. 日期格式化类

    • SimpleDateFormat（内部状态可变）

  3. 其他工具类

    • Random（共享种子可能导致竞争）

上述集合中，有的虽然有synchronized，但不推荐使用，因为加锁这个事情，是有代价的，一旦在代码中使用了锁，意味着代码可能会因为锁的竞争，产生阻塞，这样程序执行的效率会大打折扣，一旦造成线程阻塞，从cpu中调度走，啥时候才能回来执行就未知了。

2.2杂谈（介绍几个概念）

2.2.1内存可见性

内存可见性也是造成线程安全问题的原因之一，我们先附上一个代码：

import java.util.Scanner;public class test {public static int flag = 0;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(()->{while(flag == 0){}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(()->{Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入flag值：");flag = scanner.nextInt();});t1.start();t2.start();}
}

我们尝试运行一下，结果发现：

我们修改了flag值，结果发现t1线程没有像我们预期的会结束线程，一个线程读取，一个线程修改，修改线程的值，并没有被线程读到，这就是内存可见性问题。

讲一下为什么：

研究 JDK 的大佬们,就希望通过让编译器 & JVM 对程序员写的代码,自动的进行优化
本来写的代码是进行 xxxxx,编译器/VM 会在你原有逻辑不变的前提下, 对你的代码进行调整
使程序效率更高。

编译器,虽然声称优化操作,是能够保证逻辑不变,尤其是在多线程的程序中,编译器的判断可能出现失误.可能导致编译器的优化,使优化后的逻辑,和优化前的逻辑出现细节上的偏差。

于是原因就显而易见了：

  1. 硬件架构影响

    • CPU缓存：每个线程可能在自己的CPU缓存中操作变量，而非直接读写主内存。

    • 指令重排序：编译器和处理器可能优化指令顺序以提高性能，导致代码执行顺序与预期不一致。

  2. Java内存模型（JMM）抽象

    • JMM规定所有变量存储在主内存，线程通过本地内存（缓存副本）操作变量。

    • 线程间通信需通过主内存完成，本地内存更新若未同步到主内存，其他线程无法感知变化。

于是上述代码我们这样稍作修改就可以了：

import java.util.Scanner;public class test {public static int flag = 0;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(()->{while(flag == 0){try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(()->{Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入flag值：");flag = scanner.nextInt();});t1.start();t2.start();}
}

结果如我们所愿。

那么我们不能一遇到内存可见性问题就选择sleep，那样会影响程序执行效率，所以说接下来我们引入一个关键字来解决这个问题：

volatile 是 Java 提供的一种轻量级的同步机制，主要解决 内存可见性 和 指令重排序 问题，但 不保证原子性。确保一个线程对 volatile 变量的修改对其他线程立即可见。

  • 问题根源：线程操作变量时可能使用本地缓存（如 CPU 缓存），而非直接读写主内存。

  • volatile 的解决：强制所有读写操作直接操作主内存，绕过线程本地缓存。

import java.util.Scanner;public class test {public volatile static int flag = 0;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(()->{while(flag == 0){}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(()->{Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入flag值：");flag = scanner.nextInt();});t1.start();t2.start();}
}

结束！

2.2.2指令重排序

还记得上文提到的volatile关键字吗，里面的讲解提到了一个指令重排序的问题，那么这个问题是什么意思呢？这里先简单提及下，讲到单例模式时会有详细讲解：

指令重排序是指在不改变单线程程序执行结果的前提下，编译器或处理器通过调整指令的执行顺序来优化性能。

编译器进行指令重排序的原因：

  • 提高CPU利用率：减少流水线停顿，避免等待慢操作（如内存访问，上文提及）。

  • 优化缓存效率：通过局部性原理提高缓存命中率。

  • 并行执行指令：现代CPU的多级流水线和多核心架构需要指令级并行。

我们为什么之前没有遇到这个问题呢，因为我们在Java初阶的学习过程中大部分都是单线程环境下，只有在多线程环境下才会受到指令重排序的影响。

  • 可见性问题：一个线程的修改对另一个线程不可见。

  • 有序性问题：代码的实际执行顺序与预期不一致。

2.2.3线程饥饿

什么是线程饥饿呢？

1. 什么是线程饥饿？

线程饥饿指在多线程环境下，某个或某些线程长期无法获得所需的资源（如CPU时间片、锁、I/O等），导致其任务无法正常执行的现象。饥饿的线程可能永远等待，或执行进度远慢于其他线程。

关键特征：

  • 非全局阻塞（其他线程仍正常运行）。

  • 由资源分配策略或调度机制引起。

  • 可能伴随优先级反转、资源竞争等问题。

2. 线程饥饿的常见原因

原因说明示例
高优先级线程抢占高优先级线程始终优先获得CPU时间片，低优先级线程长期无法执行。线程优先级设置不合理（如Java中setPriority(10)抢占低优先级线程）。
非公平锁竞争锁的获取策略不公平，某些线程始终竞争失败。synchronized关键字导致某些线程饥饿。
资源独占某个线程长期持有共享资源（如数据库连接、文件句柄），其他线程无法获取。未合理释放资源（如忘记关闭锁或未用try-finally块）。
任务调度策略缺陷任务队列设计不合理（如固定顺序的任务分配）。线程池使用无界队列或固定顺序提交任务。
通过合理设计资源分配策略和使用同步工具，可有效减少线程饥饿的发生，保障多线程程序的稳定性和性能。

2.2.4区分wait和sleep

在讲解单例模式前，再最后区分一下wait和sleep：

wait有等待时间，sleep也有等待时间，wait可以使用notify提前唤醒，sleep也可以使用Interrupt提前唤醒。

wait 和 sleep 最主要的区别,在于针对锁的操作.

  1. wait 必须要搭配锁.先加锁, 才能用 wait. sleep 不需要.
  2. 2)如果都是在 synchronized 内部使用, wait 会释放锁.sleep 不会释放锁~

2.4单例模式

单例模式是一种常用的软件设计模式，用于确保某个类只有一个实例，并且提供一个全局访问点。其中饿汉模式和懒汉模式是其中最经典的两种单例模式。

2.4.1饿汉模式

饿汉式单例在类加载时就创建实例，这种方式可以保证线程安全，但是实例的创建是立即进行的，可能会浪费资源。

 

class Singleton {private static Singleton instance = new Singleton(100);public static Singleton getInstance() {return instance;}private Singleton() {}private Singleton(int n) {}
}public class test2 {public static void main(String[] args) {Singleton t1 = Singleton.getInstance();Singleton t2 = Singleton.getInstance();System.out.println(t1 == t2);}
}

为了判断该代码仅创建了一个实例，我们创建t1和t2来判断是一个实例还是两个：

可以发现是一个实例。

2.4.2懒汉模式

懒和饿是相对的，一个是在程序一启动就创建好示例，另一个是尽可能晚的创建实例，以达到节省效率的目的。

懒汉式单例的特点是在需要的时候才创建实例，这种实现方式可以延迟实例的创建，节省资源。但是，如果多个线程同时访问getInstance方法，可能会导致多个实例的创建，因此需要进行同步处理。

class SingletonLazy{public static SingletonLazy instance = null;public static SingletonLazy getInstance(){if(instance == null){instance = new SingletonLazy();}return instance;}private SingletonLazy(){}
}
public class test3 {public static void main(String[] args) {SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();System.out.println(s1 == s2);// SingletonLazy s3 = new SingletonLazy();}
}

 

仿照着饿汉模式，我们仿佛就把正确的代码写出来了，但这里要抛出一个很重要的问题：这样的代码是否是线程安全的呢？

2.4.2指令重排序与线程安全

第一个饿汉模式，在getinstance方法中只涉及到return的读操作，不涉及到线程安全问题。然而懒汉模式的getinstance方法

创建实例时可能涉及到多线程的修改操作，并且一个if语句加上与一个创建示例的语句，这样就违背了原子性的原则。

在多线程环境下，如果有多个线程同时调用 getInstance() 方法，可能会在检查 instance == null 后，多个线程都进入 if 块并创建新的实例。这是因为多个线程可能在同一时间检查到 instance 为 null，从而都执行 new SingletonLazy()，导致创建多个实例。

所以我们就希望通过修改代码，使其避免上述问题。

但又有新的问题出现了，在多线程情况下，加锁会互相阻塞，影响执行效率，所以我们再进行修改：

此处最外层的if语句即为判断该实例是否已被创建，如果该实例以及被创建，就不需要进行获得锁操作，提升程序执行效率。

这样总会没问题了吧，不其实还有，有没有可能出现内存重排序问题呢，稳妥起见我们加上volatile

到这里就要呼应上文了，那指令重排序呢，现在就要讲了：

在创建实例时，要经过下面几个步骤：

  1. 申请内存空间
  2. 在空间上构造对象(初始化)
  3. 内存空间的首地址,赋值给引用变量

正常来说，这三个步骤按照 123这样的顺序来执行的，但是在指令重排序下,可能成为132 这样的顺序单线程环境下,123 还是 132 其实无所谓~~如果是13 2 这样的顺序执行,多线程环境下,可能会出现 bug !!

如果先进行1，3，那么很有可能出现尝试赋值时在对一个“未初始化的对象”进行操作，于是乎在这里，volatile也起到了解决指令重排序的问题。接下来就是正确的完整代码：
 

class SingletonLazy{private static volatile SingletonLazy instance = null;private static Object locker = new Object();public static SingletonLazy getInstance() {if (instance == null) {synchronized (locker) {if (instance == null) {instance = new SingletonLazy();}}}return instance;}
}
public class test3 {public static void main(String[] args) {SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();System.out.println(s1 == s2);// SingletonLazy s3 = new SingletonLazy();}
}

大功告成！

3.小结

今天的分享到这里就结束了，喜欢的小伙伴点点赞点点关注，你的支持就是对我最大的鼓励，大家加油！

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