死磕Java并发：Java内存模型之从JMM角度分析DCL

1. 问题分析

我们先看单例模式里面的懒汉式：

我们都知道这种写法是错误的，因为它无法保证线程的安全性。优化如下：

优化非常简单，就是在#getInstance()方法上面做了同步，但是synchronized就会导致这个方法比较低效，导致程序性能下降，那么怎么解决呢？聪明的人们想到了双重检查 DCL：

就如上面所示，这个代码看起来很完美，理由如下：

如果检查第一个singleton不为 null ，则不需要执行下面的加锁动作，极大提高了程序的性能。

如果第一个singleton为 null ，即使有多个线程同一时间判断，但是由于synchronized的存在，只会有一个线程能够创建对象。

当第一个获取锁的线程创建完成后singleton对象后，其他的在第二次判断singleton一定不会为 null ，则直接返回已经创建好的singleton对象。

通过上面的分析，DCL 看起确实是非常完美，但是可以明确地告诉你，这个错误的。上面的逻辑确实是没有问题，分析也对，但是就是有问题，那么问题出在哪里呢？在回答这个问题之前，我们先来复习一下创建对象过程，实例化一个对象要分为三个步骤：

但是由于重排序的原因，步骤 2、3 可能会发生重排序，其过程如下：

如果 2、3 发生了重排序，就会导致第二个判断会出错，singleton != null，但是它其实仅仅只是一个地址而已，此时对象还没有被初始化，所以return的singleton对象是一个没有被初始化的对象，如下：

按照上面图例所示，线程 B 访问的是一个没有被初始化的singleton对象。

通过上面的阐述，我们可以判断 DCL 的错误根源在于步骤 4：

知道问题根源所在，那么怎么解决呢？有两个解决办法：

不允许初始化阶段步骤 2、3 发生重排序。

允许初始化阶段步骤 2、3 发生重排序，但是不允许其他线程“看到”这个重排序。

2. 解决方案

解决方案依据上面两个解决办法即可。

2.1 基于 volatile 解决方案

对于上面的DCL其实只需要做一点点修改即可：将变量singleton生命为volatile即可：

当singleton声明为volatile后，步骤 2、3 就不会被重排序了，也就可以解决上面那问题了。

2.2 基于类初始化的解决方案

该解决方案的根本就在于：利用 ClassLoder 的机制，保证初始化 instance 时只有一个线程。JVM 在类初始化阶段会获取一个锁，这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。

这种解决方案的实质是：运行步骤 2 和步骤 3 重排序，但是不允许其他线程看见。

Java 语言规定，对于每一个类或者接口 C ，都有一个唯一的初始化锁 LC 与之相对应。从C 到 LC 的映射，由 JVM 的具体实现去自由实现。JVM 在类初始化阶段期间会获取这个初始化锁，并且每一个线程至少获取一次锁来确保这个类已经被初始化过了。

老艿艿：因为基于类初始化的解决方案，涉及到类加载机制，本文就不拓展开来，感兴趣的胖友，可以看看《双重检查锁定与延迟初始化》的「基于类初始化的解决方案」小节。

3. 总结

延迟初始化降低了初始化类或创建实例的开销，但增加了访问被延迟初始化的字段的开销。在大多数时候，正常的初始化要优于延迟初始化。

如果确实需要对实例字段使用线程安全的延迟初始化，请使用上面介绍的基于volatile的延迟初始化的方案。

如果确实需要对静态字段使用线程安全的延迟初始化，请使用上面介绍的基于类初始化的方案。

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;
    private Singleton() {}

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if(singleton == null) { // 1
            synchronized (Singleton.class) { // 2
                if(singleton == null) { // 3
                    singleton = new Singleton(); // 4
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

memory = allocate(); //1：分配内存空间
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
instance = memory; //3：将内存空间的地址赋值给对应的引用

memory = allocate(); // 1：分配内存空间
instance = memory; // 3：将内存空间的地址赋值给对应的引用
// 注意，此时对象还没有被初始化！
ctorInstance(memory); // 2：初始化对象

singleton = new Singleton();

public class Singleton {
    // 通过volatile关键字来确保安全
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton() {} public static Singleton getInstance() {
        if(singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

public class Singleton {

    private static class SingletonHolder {
        public static Singleton singleton = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.singleton;
    }
}