Trong môi trường đa luồng (multi-threaded), nếu chúng ta không sử dụng phương thức synchronized để trả về thực thể của Singleton, điều này có thể dẫn đến vấn đề đồng bộ hóa (race condition), làm phá vỡ nguyên tắc của Singleton Pattern, gây ra việc tạo ra nhiều hơn một thực thể Singleton. Cụ thể, trong trường hợp này, nhiều luồng có thể cùng lúc cố gắng khởi tạo đối tượng Singleton, dẫn đến việc nhiều phiên bản của đối tượng này được tạo ra thay vì chỉ một như mong đợi.
Singleton Pattern được thiết kế để đảm bảo rằng chỉ có một thể hiện (instance) của một lớp được tạo ra trong suốt quá trình chạy chương trình. Điều này có nghĩa là mọi yêu cầu đến đối tượng Singleton sẽ luôn trả về cùng một thực thể duy nhất.
Tuy nhiên, trong môi trường đa luồng, khi hai hoặc nhiều luồng cùng truy cập vào phương thức khởi tạo đối tượng Singleton cùng một lúc, vấn đề xảy ra khi cả hai luồng đều có thể “nhìn thấy” rằng thực thể Singleton chưa tồn tại và cùng tiến hành khởi tạo thực thể. Điều này dẫn đến việc nhiều đối tượng Singleton có thể được tạo ra.
Giả sử chúng ta có một lớp Singleton cơ bản, nhưng không sử dụng từ khóa synchronized để đảm bảo đồng bộ hóa trong quá trình khởi tạo:
public class Singleton {
private static Singleton instance;
// Private constructor để ngăn chặn khởi tạo đối tượng bên ngoài
private Singleton() {}
// Phương thức lấy đối tượng Singleton, không có synchronized
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton(); // Khởi tạo instance nếu chưa có
}
return instance;
}
}Trong đoạn mã trên, nếu hai luồng (thread) chạy đồng thời và cùng gọi phương thức getInstance(), vấn đề có thể xảy ra theo kịch bản sau:
instance == null. Kết quả là đúng vì chưa có thực thể nào được khởi tạo.instance == null. Kết quả cũng đúng vì Thread A chưa kịp tạo đối tượng.Điều này có thể gây ra các lỗi nghiêm trọng khi các luồng bắt đầu làm việc với các đối tượng Singleton khác nhau, dẫn đến hành vi không mong muốn trong ứng dụng.
Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần đảm bảo rằng chỉ một luồng có thể khởi tạo đối tượng Singleton tại bất kỳ thời điểm nào. Từ khóa synchronized sẽ đảm bảo rằng nếu một luồng đang khởi tạo đối tượng, các luồng khác sẽ phải đợi cho đến khi quá trình khởi tạo hoàn tất.
Dưới đây là ví dụ về việc sử dụng từ khóa synchronized để giải quyết vấn đề đồng bộ hóa:
public class Singleton {
private static Singleton instance;
// Private constructor
private Singleton() {}
// Phương thức synchronized để đảm bảo tính đồng bộ
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton(); // Chỉ khởi tạo một lần
}
return instance;
}
}Trong đoạn mã này, việc sử dụng synchronized trên phương thức getInstance() đảm bảo rằng khi một luồng đang truy cập vào khối mã để kiểm tra và khởi tạo thực thể Singleton, các luồng khác sẽ phải chờ đến khi luồng hiện tại hoàn thành.
Mặc dù việc sử dụng synchronized giải quyết vấn đề, nhưng nó cũng có thể làm giảm hiệu suất của ứng dụng vì synchronized khiến các luồng phải chờ nhau, ngay cả khi thực thể Singleton đã được khởi tạo. Để tối ưu hóa vấn đề này, chúng ta có thể áp dụng kỹ thuật double-checked locking để giảm thiểu chi phí của việc đồng bộ hóa.
Double-checked locking chỉ đồng bộ hóa ở lần kiểm tra đầu tiên khi đối tượng chưa được khởi tạo. Nếu đối tượng đã được khởi tạo rồi, các luồng khác sẽ không phải đợi nữa:
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
// Private constructor
private Singleton() {}
// Sử dụng double-checked locking
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}Trong ví dụ trên, chúng ta sử dụng từ khóa volatile để đảm bảo rằng việc khởi tạo đối tượng sẽ được xử lý đúng trong môi trường đa luồng. Double-checked locking giúp giảm thiểu việc sử dụng synchronized và chỉ đồng bộ khi cần thiết, do đó cải thiện hiệu suất.
Nếu chúng ta không sử dụng synchronized trong quá trình khởi tạo đối tượng Singleton trong môi trường đa luồng, có thể dẫn đến việc tạo ra nhiều thực thể Singleton, làm phá vỡ mục tiêu ban đầu của mẫu thiết kế này. Để khắc phục, cần sử dụng synchronized hoặc các giải pháp nâng cao như double-checked locking để đảm bảo rằng chỉ có duy nhất một thực thể Singleton được tạo ra, ngay cả khi có nhiều luồng cùng truy cập vào.
