对一种基于CAS的Singleton实现方式的探讨

看到这样一种单例的实现方式：

 

public class SingletonByAtomic {     private SingletonByAtomic(){        } private static AtomicReference<SingletonByAtomic> instance=new AtomicReference<SingletonByAtomic>();public static SingletonByAtomic getSingletonByAtomic(){    if(instance.get()==null){            instance.compareAndSet(null, new SingletonByAtomic());    }    return instance.get();}

 

其中用到了CAS，CAS以原子方式更新内存中相应的值，从而保证了多线程环境下共享变量更新操作的同步。的确，这种方式可以保证每次调用getSingletonByAtomic方法得到的一定是同一个实例。因此，从功能实现的角度来看，这种做法达到了预期的目的。但是，经过分析和测试，却发现这种方式有一些预期之外的弊病：可能会创建不止一个对象。

 

为了证实这一点，请看测试类：

 

---------------------------------SingleCasTest.java------------------------------------------------

 

import java.util.concurrent.CountDownLatch;import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;import java.util.logging.Level;import java.util.logging.Logger;  /** * * @author Administrator */public class SingleCasTest {    static AtomicInteger objectcount=new AtomicInteger();        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        final CountDownLatch begin=new CountDownLatch(1);        final CountDownLatch last=new CountDownLatch(1000);          for(int i=0;i<1000;i++){              new Thread(new Runnable() {                  @Override                  public void run() {                      try {                         begin.await();                         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":begin...");                          SingletonByAtomic sba=SingletonByAtomic.getSingletonByAtomic();                                                   System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":OK");                           last.countDown();                      } catch (InterruptedException ex) {                          Logger.getLogger(SingleCasTest.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);                      }                  }              }).start();          }          begin.countDown();          last.await();          System.out.println("new objects: "+objectcount.get());    } }

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在以上代码中，我们创建了1000个线程，并用CountDownLatch控制，让它们都在begin锁上等待，当所有线程创建完毕之后，我们打开锁，让全部线程在同一时刻获得调用getSingletonByAtomic方法的机会。在此类中，我们创建了一个原子方式更新的静态变量objectcount，用于记录生成对象的数量。

下面我们看测试所用的SingletonByAtomic类：

 

-------------------------------------------SingletonByAtomic.java-------------------------------

 

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;import java.util.logging.Level;import java.util.logging.Logger; public class SingletonByAtomic {    private SingletonByAtomic(){        System.out.println("new object...");        SingleCasTest.objectcount.getAndIncrement();            }private static AtomicReference<SingletonByAtomic> instance=new AtomicReference<SingletonByAtomic>();public static SingletonByAtomic getSingletonByAtomic(){    if(instance.get()==null){                    instance.compareAndSet(null, new SingletonByAtomic());           }    return instance.get();} }

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在构造器中，我们让测试类SingleCasTest中的静态变量 objectcount以原子方式增加1，从而记录了构造器被调用的次数。

 

每个线程完成各自的工作之后，都会将last锁的计数减1，当所有线程执行完毕之后，我们在main方法中打印了新创建对象的数量。

 

本人机器为四核心，每次运行的结果都不是1，从几个到几十个不等。也就是说，我们只希望创建一个对象，而结果却有可能不是一个。

 

接下来让我们将SingletonByAtomic修改成这样：

 

-------------------------------------------SingletonByAtomic.java-------------------------------

 

 

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;import java.util.logging.Level;import java.util.logging.Logger; public class SingletonByAtomic {    private SingletonByAtomic(){        System.out.println("new object...");        SingleCasTest.objectcount.getAndIncrement();            }private static AtomicReference<SingletonByAtomic> instance=new AtomicReference<SingletonByAtomic>();public static SingletonByAtomic getSingletonByAtomic(){    if(instance.get()==null){        try {            Thread.sleep(100);            instance.compareAndSet(null, new SingletonByAtomic());        } catch (InterruptedException ex) {            Logger.getLogger(SingletonByAtomic.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);        }    }    return instance.get();} } 

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在我们完成if(instance.get()==null)条件测试之后，让该线程睡眠100毫秒。经测试，新创建的对象达到了1000个，等于我们创建线程的数量！

 

为什么会产生这样的结果呢？

是的，CAS本身的操作的确是原子方式，但是包装CAS指令的方法并非是全程同步的，当然，在包含CAS指令的方法开始调用之前，参数计算过程中更不是互斥执行的！当一个线程测试instance.get()==null得到true之后，它就一定会调用new SingletonByAtomic()，因为，这并不是CAS方法的一部分，而是它的参数。在调用一个方法之前，需要先将其参数压入栈，当然，需要先计算参数表达式，因此，产生如上结果也就不难预料了。

 

CAS与锁的区别在于，它是非阻塞的，也就是说，它不会去等待一个条件，而是一定会去执行，结果要么成功，要么失败。它的操作时间是可预期的。如果我们的目的是一定要成功执行CAS，那就需要不断循环执行直至成功，同时，建立在成功预期之上大量的准备工作是值得的，但是，如果我们不希望操作一定成功，那为成功操作而做的准备工作就浪费掉了。

 

参考文献

 

http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp11234/