单例模式的设计 | 落叶挽歌

我们都知道单例模式很简单，大概是这样：

//单线程单例模式实现
public class Singleton {
    private static Singleton instance=null;
    public static Singleton getInstance() {
        if(null==instance){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

但是呢，在多线程条件下getInstance()并不是一个原子操作。由于代码没有使用任何同步机制，因此该线程可能会出现线程交错的情形：在instance还是null的时候，如果两个线程同时执行到 if(null==instance)那么会创建两个实例，从而违背了初衷。于是通过简单加锁来解决这种问题：

//简单加锁实现单例模式
public class Singleton  {
    private static Singleton instance=null;
    public static Singleton getInstance() {
        synchronized (Singleton.class){//加入synchronized同步
            if(null==instance){
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
}

这种方式实现单例模式固然安全，但意味着每次调用 getInstance()都会申请锁，为了避免开销，我们想到了另一种办法：

//基于双重检查锁定的错误单例模式实现
public class Singleton  {
    private static Singleton instance=null;
    public static Singleton getInstance() {
        if(null==instance){//先检查是否为null，再执行之上的代码
            synchronized (Singleton.class){
                if(null==instance){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

通过这种方法，虽然第一次检查对变量instance的访问没有加锁从而使竞态仍然可能存在，它似乎避免了锁的开销又保障了线程的安全。然后对 instance = new Singleton();进行伪代码独立子操作：

obj=allocate(Singleton.class);//1、分配对象所需的存储空间
invokeConstructor(obj);//2、初始化obj的引用对象
instance=obj;//3、将对象引用写入共享变量

由于重排序的规则，临界区内的操作可以再临界区内重排序，因此JIT编译器可能将上述子操作重排序为：1->3->2，即在初始化对象之前将对象引用写入实例变量instace。由于锁对有序性的保障是有条件的，而操作1读取intance变量的时候并没有加锁，因此重排序是对1操作是有影响的：该线程可能看到一个未初始化（或者为初始化完毕）的实例，即intance不为null。于是该线程直接就直接返回这个instance变量所引用的实例，而实例可能是未初始化完毕的，这就是可能导致程序出错。明白问题的原因之后，解决方法也不难想到了：只需将instance变量加入volatile修饰则可。于是代码变成：

//基于双重检查锁定的正确单例模式实现
public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance=null;//加入volatile修饰
    public static Singleton getInstance() {
        if(null==instance){
            synchronized (Singleton.class){
                if(null==instance){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

到此为止，才正确实现安全的“单例模式”。

参考：《黄文海-Java多线程编程实战指南（核心篇）》