双重检查锁定单例模式在Java内存模型下的线程安全问题与解决方案

题目

双重检查锁定单例模式在Java内存模型下的线程安全问题与解决方案

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

Java内存模型（JMM）,volatile关键字,双重检查锁定（DCL）,指令重排序,可见性

快速回答

双重检查锁定（DCL）实现单例模式时，需要使用volatile修饰实例变量，原因如下：

• 防止指令重排序导致其他线程获取未初始化的对象
• 保证实例变量的修改对所有线程立即可见
• 避免使用同步锁带来的性能开销

正确代码示例：

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

问题背景

双重检查锁定（Double-Checked Locking）是常见的单例模式实现方式，旨在减少同步开销。但在Java内存模型（JMM）下，若不正确处理，会导致微妙的线程安全问题。

原理说明

关键问题在于对象实例化操作instance = new Singleton()并非原子操作，实际包含三个步骤：

1. 分配对象内存空间
2. 初始化对象（执行构造函数）
3. 将引用指向内存地址（此时instance不再为null）

JVM可能进行指令重排序（步骤2和3交换），导致其他线程获取到未初始化的对象。Java内存模型规定：

• 普通写操作与后续加锁操作没有happens-before关系
• 非volatile变量不保证可见性和有序性

错误代码示例

// 错误实现：缺少volatile修饰
public class Singleton {
    private static Singleton instance; // 缺少volatile

    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（有锁）
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

错误后果：

• 线程A执行到步骤3（引用已赋值）但未初始化对象
• 线程B在第一次检查时发现instance非null，直接返回未初始化的对象
• 导致NPE或状态不一致

正确解决方案

// 正确实现：使用volatile
public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    // 私有构造器
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        Singleton localRef = instance; // 减少volatile读取次数
        if (localRef == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                localRef = instance;
                if (localRef == null) {
                    instance = localRef = new Singleton();
                }
            }
        }
        return localRef;
    }
}

volatile关键作用：

• 禁止指令重排序：通过内存屏障（Memory Barrier）确保写操作顺序
• 保证可见性：写操作立即刷新到主内存，并使其他线程缓存失效
• 建立happens-before关系：保证初始化完成前不会返回对象引用

最佳实践

1. 优先使用静态内部类方式（利用类加载机制保证线程安全）：

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

2. 枚举单例（Java 1.5+推荐）：

   public enum Singleton {
       INSTANCE;
       // 添加方法
   }

3. 若必须使用DCL：
   • 始终用volatile修饰实例变量
   • 添加临时变量减少volatile访问
   • 构造函数避免抛出异常

常见错误

• 忘记volatile修饰符
• 在synchronized块外进行非空检查后直接返回（未二次检查）
• 使用final字段但未正确发布
• 误认为synchronized能完全阻止指令重排序

扩展知识

• JMM的happens-before原则：volatile写操作先于后续的volatile读操作
• 内存屏障类型：LoadLoad, StoreStore, LoadStore, StoreLoad
• 替代方案对比：

  方案	线程安全	延迟加载	性能
  DCL+volatile	是	是	高
  静态内部类	是	是	高
  枚举	是	否	最高
  同步方法	是	是	低

• Java 9+的VarHandle：提供更细粒度的内存控制替代部分volatile场景