如何实现线程安全的单例模式？请用双重检查锁定实现并说明原理

题目

如何实现线程安全的单例模式？请用双重检查锁定实现并说明原理

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

单例模式,线程安全,volatile关键字,类加载机制,双重检查锁定

快速回答

实现线程安全单例模式的核心要点：

• 使用private static volatile修饰实例变量
• 私有化构造方法
• 通过双重检查锁定（Double-Checked Locking）创建实例
• 使用volatile防止指令重排序

示例代码：

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

1. 单例模式核心原理

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。关键实现：

• 私有静态变量保存唯一实例
• 私有构造方法阻止外部实例化
• 公有静态方法提供访问入口

2. 线程安全实现方案对比

3. 双重检查锁定实现详解

public class Singleton {
    // volatile 保证可见性和禁止指令重排序
    private static volatile Singleton instance;

    // 私有构造器
    private Singleton() {
        // 防止反射破坏单例
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("Use getInstance() method");
        }
    }

    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次检查：避免不必要的同步
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 第二次检查：确保只有一个线程创建实例
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

关键点说明：

• volatile作用：防止JVM指令重排序。对象创建包含：1.分配内存 2.初始化对象 3.指向引用。若无volatile，步骤2和3可能颠倒，导致其他线程获取未初始化的实例。
• 双重检查必要性：外层检查避免每次调用都同步，内层检查防止多次实例化。

4. 最佳实践与注意事项

• 防止反射攻击：在构造器中检查实例是否存在（如上代码所示）
• 序列化安全：实现readResolve()方法返回现有实例

  private Object readResolve() {
      return getInstance();
  }

• 枚举实现：更简洁的线程安全实现（Java 5+）

  public enum Singleton {
      INSTANCE;
      // 添加业务方法
  }

5. 常见错误

• 忘记volatile关键字，导致指令重排序问题
• 同步块使用错误锁对象（应使用类对象锁）
• 未进行双重检查，直接在同步块外创建实例
• 忽略序列化和反射攻击的防护

6. 扩展知识

• 类加载机制：静态内部类实现（Holder模式）利用类加载的线程安全性

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

• 应用场景：配置管理、线程池、数据库连接池等需要全局唯一访问点的资源
• 现代替代方案：依赖注入框架（如Spring）管理的单例Bean