如何设计线程安全的延迟初始化单例模式？

题目

如何设计线程安全的延迟初始化单例模式？

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

类加载机制, 内存可见性, 指令重排序, 双重检查锁定, volatile关键字

快速回答

实现线程安全的延迟初始化单例需解决三个核心问题：

• 指令重排序问题：使用 volatile 修饰实例变量
• 线程竞争问题：通过双重检查锁定（DCL）减少同步开销
• 类初始化安全性：利用静态内部类实现更优的方案

推荐两种实现方式：

1. 双重检查锁定 + volatile
2. 静态内部类（Holder模式）

问题核心挑战

延迟初始化单例需同时解决：

• 指令重排序：JVM 可能对构造函数和对象引用赋值进行重排序
• 内存可见性：一个线程初始化的对象对其他线程立即可见
• 线程竞争：避免多个线程同时创建实例

方案一：双重检查锁定（DCL）

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    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();    // volatile 禁止重排序
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

关键点解析：

• volatile 作用：禁止 JVM 对 instance = new Singleton() 的指令重排序（对象分配内存 → 初始化 → 引用赋值）
• 双重检查：减少同步块进入次数，提升性能
• 常见错误：缺少 volatile 可能导致线程获取到未初始化完成的对象

方案二：静态内部类（Holder模式）

public class Singleton {
    private Singleton() {}

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

    public static Singleton getInstance() {
        return Holder.INSTANCE;  // 类加载时初始化
    }
}

原理说明：

• 利用 JVM 类加载机制：静态内部类 Holder 在首次调用 getInstance() 时加载
• 类加载过程线程安全：JVM 保证 <clinit>() 方法（类初始化）的同步
• 天然避免指令重排序问题：静态变量初始化在类加载时完成

最佳实践对比

扩展知识

• 枚举单例：public enum Singleton { INSTANCE; } 天然线程安全且防反射攻击
• 指令重排序证明：可通过 JITWatch 工具观察汇编代码（putstatic 先于 invokespecial 执行）
• 其他线程安全方案：AtomicReference 的 CAS 操作，但实现更复杂

常见错误案例

// 错误版本：非线程安全
public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        instance = new Singleton();  // 多线程可能创建多个实例
    }
    return instance;
}

// 错误版本：缺少 volatile
public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();  // 可能返回半初始化对象
            }
        }
    }
    return instance;
}