Java多线程系列八——volatile和ThreadLocal

参考资料：

http://ifeve.com/java-memory-model-4/

http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-1

http://wuchong.me/blog/2014/08/28/how-to-correctly-write-singleton-pattern/

https://en.wikipedia.org/wiki/Singleton_pattern#Java_5_solution

https://www.ibm.com/developerworks/java/library/j-jtp06197/

1. volatile

final class Singleton {
    private static Singleton instance = null;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

以上代码尝试实现单例模式，但存在严重的线程安全风险。Java Memory Model定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存(main memory)中，每个线程都有一个私有的本地内存(local memory)，本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。假设Thread1/Thread2并发，instance为它们的共享变量，Thread1与Thread2之间通信必须要经历下面2个步骤：

Thread1把本地内存更新过的instance刷新到主内存中去
Thread2到主内存中去读取Thread1之前已更新过的instance

那么可能的场景之一——Thread1执行完instance = new Singleton()，但刷新到主内存前Thread2的instance == null仍然成立，于是再次执行instance = newSingleton()，这时两个线程得到了两个不同的对象，与预期不符。

final class Singleton {
    private static Singleton instance = null;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

加入锁和双重校验后，仍然存在风险，因为为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序，以Singleton instance = new Singleton()为例，它包含了三个指令：

①为instance分配内存
②调用Singleton构造方法
③把instance指向分配的内存地址

三个指令执行顺序可能是①②③或①③②，在③执行之后，instance==null将不再成立。可能的场景——假设Thread1/Thread2并发，Thread1执行了除②以外的指令，Thread2的instance==null不成立，虽然得到了内存地址，但由于未调用构造方法而报错。

final class Singleton {
    private static volatile Singleton instance = null;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

为instance变量加上volatile关键字彻底解决问题。volatile的特性：

volatile的变量修改后将立即刷新到主内存，其他线程即可读取到新值
编译器利用内存屏障的概念禁止上述三条指令的重排序，只允许①②③的执行顺序

由于以上特性使volatile极适用于修饰多线程环境下的状态标识。

2. ThreadLocal

当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。

以非线程安全的SimpleDateFormat类为例，在并发运行时会出错，但使用ThreadLocal维护则可以完美避免此问题

import java.text.DateFormat;
import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @Description: 测试ThreadLocal
 */
public class ThreadLocalTest {
    private static final DateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
    private static final ThreadLocal<DateFormat> DATE_FORMAT = new ThreadLocal<DateFormat>() {
        public DateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        }
    };

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        String date = "2017-07-06";
        testDateFormat(date);
        testThreadLocal(date);
    }

    private static void testDateFormat(String date) throws InterruptedException {
        multilpleThreadExecute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(df.parse(date));
                } catch (ParseException e) {
                }
            }
        });
    }

    private static void testThreadLocal(String date) throws InterruptedException {
        multilpleThreadExecute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(DATE_FORMAT.get().parse(date));
                } catch (ParseException e) {
                }
            }
        });
    }

    private static void multilpleThreadExecute(Runnable runnable) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(runnable);
        }
        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(Integer.MAX_VALUE, TimeUnit.DAYS);
    }
}

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