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面試官:單例Bean一定不安全嗎?實(shí)際工作中如何處理此問題?

開發(fā) 前端
單例模式的 Bean 并不一定都是非線程安全的,其中有狀態(tài)的 Bean 是存在線程安全問題的。實(shí)際工作中通常會(huì)使用鎖機(jī)制(synchronized 或 ReentrantLock)或線程安全的容器來解決 Bean 的線程安全問題,但具體使用哪種方案,還要結(jié)合具體業(yè)務(wù)場景來定。

默認(rèn)情況下,Spring Boot 中的 Bean 是非線程安全的。這是因?yàn)?,默認(rèn)情況下 Bean 的作用域是單例模式,那么此時(shí),所有的請求都會(huì)共享同一個(gè) Bean 實(shí)例,這意味著這個(gè) Bean 實(shí)例,在多線程下可能被同時(shí)修改,那么此時(shí)它就會(huì)出現(xiàn)線程安全問題。

Bean 的作用域(Scope)指的是確定在應(yīng)用程序中創(chuàng)建和管理 Bean 實(shí)例的范圍。也就是在 Spring 中,可以通過指定不同的作用域來控制 Bean 實(shí)例的生命周期和可見性。例如,單例模式就是所有線程可見并共享的,而原型模式則是每次請求都創(chuàng)建一個(gè)新的原型對象。

1、單例Bean一定不安全嗎?

并不是,單例 Bean 分為以下兩種類型:

  • 無狀態(tài) Bean(線程安全):Bean 沒有成員變量,或多線程只會(huì)對 Bean 成員變量進(jìn)行查詢操作,不會(huì)修改操作。
  • 有狀態(tài) Bean(非線程安全):Bean 有成員變量,并且并發(fā)線程會(huì)對成員變量進(jìn)行修改操作。

所以說:有狀態(tài)的單例 Bean 是非線程安全的,而無狀態(tài)的 Bean 是線程安全的。

但在程序中,只要有一種情況會(huì)出現(xiàn)線程安全問題,那么它的整體就是非線程安全的,所以總的來說,單例 Bean 還是非線程安全的。

(1)無狀態(tài)的Bean

無狀態(tài)的 Bean 指的是不存在成員變量,或只有查詢操作,沒有修改操作,它的實(shí)現(xiàn)示例代碼如下:

import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class StatelessService {
    public void doSomeTask() {
        // 執(zhí)行任務(wù)
    }
}

(2)有狀態(tài)的Bean

有成員變量,并且存在對成員變量的修改操作,如下代碼所示:

import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class UserService {
    private int count = 0;
    public void incrementCount() {
        count++; // 非原子操作,并發(fā)存在線程安全問題
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}

2、如何保證線程安全?

想要保證有狀態(tài) Bean 的線程安全,可以從以下幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn):

  • 使用 ThreadLocal(線程本地變量):每個(gè)線程修改自己的變量,就沒有線程安全問題了。
  • 使用鎖機(jī)制:例如 synchronized 或 ReentrantLock 加鎖修改操作,保證線程安全。
  • 設(shè)置 Bean 為原型作用域(Prototype):將 Bean 的作用域設(shè)置為原型,這意味著每次請求該 Bean 時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例,這樣可以防止不同線程之間的數(shù)據(jù)沖突,不過這種方法增加了內(nèi)存消耗。
  • 使用線程安全容器:例如使用 Atomic 家族下的類(如 AtomicInteger)來保證線程安全,此實(shí)現(xiàn)方式的本質(zhì)還是通過鎖機(jī)制來保證線程安全的,Atomic 家族底層是通過樂觀鎖 CAS(Compare And Swap,比較并替換)來保證線程安全的。

具體實(shí)現(xiàn)如下。

(1)使用ThreadLocal保證線程安全

實(shí)現(xiàn)代碼如下:

import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class UserService {
    private ThreadLocal<Integer> count = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

    public void incrementCount() {
        count.set(count.get() + 1);
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}

使用 ThreadLocal 需要注意一個(gè)問題,在用完之后記得調(diào)用 ThreadLocal 的 remove 方法,不然會(huì)發(fā)生內(nèi)存泄漏問題。

(2)使用鎖機(jī)制

鎖機(jī)制中最簡單的是使用 synchronized 修飾方法,讓多線程執(zhí)行此方法時(shí)排隊(duì)執(zhí)行,這樣就不會(huì)有線程安全問題了,如下代碼所示:

import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class UserService {
    private int count = 0;
    public synchronized void incrementCount() {
        count++; // 非原子操作,并發(fā)存在線程安全問題
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}

(3)設(shè)置為原型作用域

原型作用域通過 @Scope("prototype") 來設(shè)置,表示每次請求時(shí)都會(huì)生成一個(gè)新對象(也就沒有線程安全問題了),如下代碼所示:

import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
@Scope("prototype")
public class UserService {
    private int count = 0;
    public void incrementCount() {
        count++; // 非原子操作,并發(fā)存在線程安全問題
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}

(4)使用線程安全容器

我們可以使用線程安全的容器,例如 AtomicInteger 來替代 int,從而保證線程安全,如下代碼所示:

import org.springframework.stereotype.Service;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

@Service
public class UserService {

    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void incrementCount() {
        count.incrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}

實(shí)際工作中如何保證線程安全?

實(shí)際工作中,通常會(huì)根據(jù)具體的業(yè)務(wù)場景來選擇合適的線程安全方案,但是以上解決線程安全的方案中,ThreadLocal 和原型作用域會(huì)使用更多的資源,占用更多的空間來保證線程安全,所以在使用時(shí)通常不會(huì)作為最佳考慮方案。

而鎖機(jī)制和線程安全的容器通常會(huì)優(yōu)先考慮,但需要注意的是 AtomicInteger 底層是樂觀鎖 CAS 實(shí)現(xiàn)的,因此它存在樂觀鎖的典型問題 ABA 問題(如果有狀態(tài)的 Bean 中既有 ++ 操作,又有 -- 操作時(shí),可能會(huì)出現(xiàn) ABA 問題),此時(shí)就要使用鎖機(jī)制,或 AtomicStampedReference 來解決 ABA 問題了。

小結(jié)

單例模式的 Bean 并不一定都是非線程安全的,其中有狀態(tài)的 Bean 是存在線程安全問題的。實(shí)際工作中通常會(huì)使用鎖機(jī)制(synchronized 或 ReentrantLock)或線程安全的容器來解決 Bean 的線程安全問題,但具體使用哪種方案,還要結(jié)合具體業(yè)務(wù)場景來定。

責(zé)任編輯:姜華 來源: Java中文社群
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