如何设计线程安全的延迟初始化并保证跨线程可见性？ -

题目

如何设计线程安全的延迟初始化并保证跨线程可见性？

信息

类型：问答
难度：⭐⭐⭐

考点

Java内存模型,happens-before原则,volatile语义,指令重排序,内存屏障

快速回答

实现线程安全的延迟初始化需同时解决原子性和可见性问题：

使用volatile修饰实例变量禁止指令重排序
通过双重检查锁定（DCL）减少同步开销
利用static final字段的初始化保证实现安全发布
遵循happens-before原则确保跨线程可见性

## 解析

问题场景

在并发环境下实现单例模式时，经典的DCL（Double-Checked Locking）实现存在隐患：

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;
    }
}

核心问题

上述代码在Java内存模型下可能失效：

指令重排序：new Singleton()操作可能被拆分为：
1. 分配内存空间
2. 初始化对象
3. 将引用赋值给instance
步骤2和3可能被重排序，导致其他线程获取到未初始化的对象
可见性问题：未使用同步机制时，线程A的写入操作对线程B不可见

解决方案

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

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

关键改进点：

volatile修饰符：
1. 禁止JVM指令重排序（通过内存屏障实现）
2. 保证写操作对后续读操作可见（遵循happens-before原则）
局部变量localRef：减少volatile变量的访问次数（性能优化）

原理说明

happens-before原则：volatile写操作先于后续volatile读操作
内存屏障：
1. StoreStore屏障：禁止普通写与volatile写重排序
2. StoreLoad屏障：禁止volatile写与后续操作重排序
安全发布：volatile保证对象初始化完成后才暴露引用

最佳实践

优先使用静态内部类实现（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;
    }
}

Java 9+推荐使用VarHandle实现无锁方案

常见错误

遗漏volatile导致DCL失效
在构造函数中启动线程（可能访问未完全初始化的对象）
误用final字段（需在构造函数完成前赋值）

扩展知识

初始化安全：final字段在构造函数完成后保证可见性（JLS 17.5）

VarHandle：Java 9引入的替代AtomicReferenceFieldUpdater的方案

private static final VarHandle INSTANCE;
static {
    try {
        INSTANCE = MethodHandles.lookup().findVarHandle(
            Singleton.class, "instance", Singleton.class);
    } catch (Exception e) { ... }
}

内存模型演进：JSR-133修复了早期Java内存模型的缺陷