[Java并发-21-并发设计模式] Balking模式：线程安全的单例模式

上一篇文章中，我们提到可以用“多线程版本的 if”来理解 Guarded Suspension 模式，不同于单线程中的 if，这个“多线程版本的 if”是需要等待的，而且还很执着，必须要等到条件为真。但很显然这个世界，不是所有场景都需要这么执着，有时候我们还需要快速放弃。

需要快速放弃的一个最常见的例子是各种编辑器提供的自动保存功能。自动保存功能的实现逻辑一般都是隔一定时间自动执行存盘操作，存盘操作的前提是文件做过修改，如果文件没有执行过修改操作，就需要快速放弃存盘操作。下面的示例代码将自动保存功能代码化了，很显然 AutoSaveEditor 这个类不是线程安全的，因为对共享变量 changed 的读写没有使用同步，那如何保证 AutoSaveEditor 的线程安全性呢？

class AutoSaveEditor{
  // 文件是否被修改过
  boolean changed=false;
  // 定时任务线程池
  ScheduledExecutorService ses = 
    Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
  // 定时执行自动保存
  void startAutoSave(){
    ses.scheduleWithFixedDelay(()->{
      autoSave();
    }, 5, 5, TimeUnit.SECONDS);  
  }
  // 自动存盘操作
  void autoSave(){
    if (!changed) {
      return;
    }
    changed = false;
    // 执行存盘操作
    // 省略且实现
    this.execSave();
  }
  // 编辑操作
  void edit(){
    // 省略编辑逻辑
    ......
    changed = true;
  }
}

读写共享变量 changed 的方法 autoSave() 和 edit() 都加互斥锁就可以了。这样做虽然简单，但是性能很差，原因是锁的范围太大了。那我们可以将锁的范围缩小，只在读写共享变量 changed 的地方加锁，实现代码如下所示。

// 自动存盘操作
void autoSave(){
  synchronized(this){
    if (!changed) {
      return;
    }
    changed = false;
  }
  // 执行存盘操作
  // 省略且实现
  this.execSave();
}
// 编辑操作
void edit(){
  // 省略编辑逻辑
  ......
  synchronized(this){
    changed = true;
  }
}  

如果你深入地分析一下这个示例程序，你会发现，示例中的共享变量是一个状态变量，业务逻辑依赖于这个状态变量的状态：当状态满足某个条件时，执行某个业务逻辑，。这种“多线程版本的 if”的应用场景还是很多的，所以也有人把它总结成了一种设计模式，叫做 Balking 模式

Balking 模式的经典实现

Balking 模式本质上是一种规范化地解决“多线程版本的 if”的方案，对于上面自动保存的例子，使用 Balking 模式规范化之后的写法如下所示，你会发现仅仅是将 edit() 方法中对共享变量 changed 的赋值操作抽取到了 change() 中，这样的好处是将并发处理逻辑和业务逻辑分开。

boolean changed=false;
// 自动存盘操作
void autoSave(){
  synchronized(this){
    if (!changed) {
      return;
    }
    changed = false;
  }
  // 执行存盘操作
  // 省略且实现
  this.execSave();
}
// 编辑操作
void edit(){
  // 省略编辑逻辑
  ......
  change();
}
// 改变状态
void change(){
  synchronized(this){
    changed = true;
  }
}

Balking 模式有一个非常典型的应用场景就是单次初始化，下面的示例代码是它的实现。这个实现方案中，我们将 init() 声明为一个同步方法，这样同一个时刻就只有一个线程能够执行 init() 方法；init() 方法在第一次执行完时会将 inited 设置为 true，这样后续执行 init() 方法的线程就不会再执行 doInit() 了。

class InitTest{
  boolean inited = false;
  synchronized void init(){
    if(inited){
      return;
    }
    // 省略 doInit 的实现
    doInit();
    inited=true;
  }
}

线程安全的单例模式本质上其实也是单次初始化，所以可以用 Balking 模式来实现线程安全的单例模式，下面的示例代码是其实现。这个实现虽然功能上没有问题，但是性能却很差，因为互斥锁 synchronized 将 getInstance() 方法串行化了。

class Singleton{
  private static volatile 
    Singleton singleton;
  // 构造方法私有化  
  private Singleton() {}
  // 获取实例（单例）
  public static Singleton 
  getInstance() {
    // 第一次检查
    if(singleton==null){
      synchronize{Singleton.class){
        // 获取锁后二次检查
        if(singleton==null){
          singleton=new Singleton();
        }
      }
    }
    return singleton;
  }
}

当前最优解是使用经典的双重检查,不过需要你注意的是，这个方案中使用了 volatile 来禁止编译优化，其原因你可以参考 编译优化带来的有序性问题

class Singleton{
  private static volatile 
    Singleton singleton;
  // 构造方法私有化  
  private Singleton() {}
  // 获取实例（单例）
  public static Singleton 
  getInstance() {
    // 第一次检查
    if(singleton==null){
      synchronize{Singleton.class){
        // 获取锁后二次检查
        if(singleton==null){
          singleton=new Singleton();
        }
      }
    }
    return singleton;
  }
}

小结

Balking 模式和 Guarded Suspension 模式从实现上看似乎没有多大的关系，Balking 模式只需要用互斥锁就能解决，而 Guarded Suspension 模式则要用到管程这种高级的并发原语；但是从应用的角度来看，它们解决的都是“线程安全的 if”语义，不同之处在于，Guarded Suspension 模式会等待 if 条件为真，而 Balking 模式不会等待。