Java单例-双重检查锁

时间：2024-07-21 12:34:44

问题引入

Java中实现单例模式，一般性的做法是如下方式：

class Singleton {

    private static Singleton INSTANCE = null;

    private Singleton() {}

    public static getInstance() {

        if (null == INSTANCE) {            // <-- 此处如果有多个执行流同时进入，会造成多次初始化

              INSTANCE = new Singleton();

        }

        return INSTANCE;

    }

}

上述代码中，第6行处，对单例对象INSTANCE进行判空检查，如果为null，则进行初始化。

这一步在单执行流的逻辑上是没有问题的。但是当多个执行流同时运行到此处时，如果执行流a正在初始化Singleton对象，还没返回其引用，就被调度出去了，此时执行流b也会进入此处，再次对Singleton对象进行初始化。如此一来，JVM中就会存在多个Singleton实例。

因此，第7行的Singleton初始化代码块，应当作为临界区，对其访问需要加锁同步。

初步解决方案

class Singleton {

    private static Singleton INSTANCE = null;

    private Singleton() {}

    public static getInstance() {

        if (null == INSTANCE) {                  // <-- 第1次，一般性检查，但是有并发隐患：可能有多执行流同时进入改处

            synchronized(Singleton.class) {

                if (null == INSTANCE) {          // <-- 此处第2次检查，为了防止后续多执行流并发时，后续获取同步锁的执行流，不会再次初始化Singleton对象

                    INSTANCE = new Singleton();

                }

            }

        }

        return INSTANCE;

    }

}

如上，第1次检查，用来判断是否需要对Singleton进行初始化；如果是，则先加同步锁（此时可能有多个执行流都运行到改处）；获得锁之后，第2次检查Singleton对象是否已被其他并发的执行流初始化了（这个null判空检查有隐患，后续阐明）；如果两次检查都通过，则表明当前执行流，是第一个进入临界区的，因此可以担负对Singleton对象初始化的责任。由于同步加锁及第2次检查的存在，后续其他的执行流，即使同时进入临界区外等待，也不会出现对Singleton对象多次初始化的问题。

以上，应该是比较完美的解决方案了。

但是，

由于对象初始化的过程并不是原子的指令，无法在单个指令周期完成，又Java编译器对指令重排序优化的存在，对象初始化的操作流程会发生变化：

原始流程：

op1:分配内存空间

op2:初始化对象

op3:将对象的引用，指向分配的内存

指令重排序优化之后的流程：

op1:分配内存空间

op2:将对象的引用，指向分配的内存

op3:初始化对象

由于对象初始化流程的非原子性，当前执行流很可能在新流程的op2->op3这一步被调度出去，进而导致JVM中存在着一个已开辟内存空间、但是未初始化的Singleton实例。如果此时，其他调度进来的执行流使用了这个残缺的Singleton实例，很有可能因为数据异常引发运行时错误。

完善后的解决方案

为此，我们需要一个机制，来阻止编译器对指令的重排序——这就是关键字 volatile。

加了 volatile 关键字的变量，编译器不会对其初始化指令进行重排序优化。因此就避免了上述的问题发生。

class Singleton {

    private static volatile Singleton INSTANCE = null;  // <-- 禁止指令重排序

    private Singleton() {}

    public static getInstance() {

        if (null == INSTANCE) {                  // <-- 第1次，一般性检查，但是有并发隐患：可能有多执行流同时进入改处

            synchronized(Singleton.class) {

                if (null == INSTANCE) {          // <-- 此处第2次检查，为了防止后续多执行流并发时，后续获取同步锁的执行流，不会再次初始化Singleton对象

                    INSTANCE = new Singleton();

                }

            }

        }

        return INSTANCE;

    }

}

后记

我还想到一个不利用 Java 的 volatile 特性的方案：

class Singleton {

    private static Singleton INSTANCE = null;

    private static constructed = false;      // <-- 用一个标记变量

    private Singleton() {}

    public static getInstance() {

        if (!constructed) {                  // <-- 第1次，一般性检查，但是有并发隐患：可能有多执行流同时进入改处

            synchronized(Singleton.class) {

                if (!constructed) {          // <-- 此处第2次检查，为了防止后续多执行流并发时，后续获取同步锁的执行流，不会再次初始化Singleton对象

                    INSTANCE = new Singleton();

                    constructed = true;      // <-- 我没有探究这里，会不会出现指令重排序的情况

                }

            }

        }

        return INSTANCE;

    }

}

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