双重检查锁定实现单例模式在Java内存模型下的线程安全问题

题目

双重检查锁定实现单例模式在Java内存模型下的线程安全问题

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

Java内存模型,volatile关键字,指令重排序,双重检查锁定,单例模式

快速回答

在Java中实现线程安全的单例模式时，双重检查锁定需要配合volatile关键字才能确保线程安全：

• volatile作用：防止指令重排序，确保对象初始化完成前不被其他线程访问
• 双重检查锁定：第一次检查避免不必要的同步，第二次检查确保单例唯一性
• 关键代码：
  

  private static volatile Singleton instance;

• 替代方案：使用静态内部类或枚举实现更简洁的线程安全单例

问题背景

在并发环境下实现单例模式时，双重检查锁定（Double-Checked Locking）是常见方案。但在Java内存模型（JMM）下，若未正确使用volatile关键字，会导致微妙的线程安全问题。

错误实现示例

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {  // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {  // 第二次检查
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

Java内存模型下的问题

指令重排序风险：
对象初始化instance = new Singleton()包含三个步骤：
1. 分配内存空间
2. 初始化对象
3. 将引用指向内存地址
JVM可能重排序为1→3→2，导致其他线程获取到未初始化的对象。

可见性问题：
未使用volatile时，线程A的修改可能对线程B不可见，导致多次创建实例。

正确解决方案

public class Singleton {
    // 关键：使用volatile禁止指令重排序
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}  // 私有构造器

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {  // 第一次检查（无锁）
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {  // 第二次检查（加锁）
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

volatile关键机制

• 内存屏障：在写操作前后插入屏障，确保写操作先于读操作
• happens-before原则：保证volatile写操作前的所有操作对后续读操作可见
• 禁止重排序：阻止JVM优化可能破坏初始化顺序的指令

替代实现方案

1. 静态内部类（推荐）：
利用类加载机制保证线程安全

public class Singleton {
    private static class Holder {
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return Holder.INSTANCE;
    }
}

2. 枚举单例（最安全）：
Java规范保证枚举实例创建的线程安全性和唯一性

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    // 添加业务方法
    public void doWork() { ... }
}

最佳实践

• 优先选择静态内部类或枚举实现单例
• 必须使用双重检查锁定时，务必声明volatile
• 避免在构造函数中执行耗时操作
• 考虑序列化/反序列化对单例的影响

常见错误

• 忘记volatile关键字（导致NPE或状态不一致）
• 在getInstance()方法上滥用synchronized（性能瓶颈）
• 忽略序列化破坏单例的风险（需实现readResolve()方法）

扩展知识

• JMM三大特性：原子性、可见性、有序性
• 内存屏障类型：LoadLoad、StoreStore、LoadStore、StoreLoad
• final字段的特殊处理：JVM保证final字段初始化安全（无需同步）
• VarHandle（Java9+）：提供更细粒度的内存排序控制