为什么双重校验锁单例模式必须使用volatile关键字？

最新推荐文章于 2025-04-04 06:30:00 发布

HaYiBoy

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分类专栏：设计模式文章标签：单例模式 java jvm

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在多线程环境下实现线程安全的单例模式，是Java并发编程的经典面试题。其中双重校验锁（Double-Checked Locking，DCL）方案因其巧妙的性能优化备受青睐。但细心的开发者会发现，这种方案必须使用volatile关键字修饰单例实例。

一、双重校验锁实现解析

1.1 典型实现代码

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance = null;
    
    private Singleton() {}
    
    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;
    }
}

1.2 设计思想剖析

性能优化：通过外层非同步检查避免每次获取实例都加锁
线程安全：内层同步代码块保证单例的原子性创建
双重校验：防止多个线程突破第一次检查后重复创建实例

二、并发安全的双重保障机制

2.1 synchronized的局限性

特性	作用范围	功能说明
原子性保证	同步代码块内部	确保临界区代码不可分割执行
可见性保证	同步代码块边界	通过内存屏障保证变量可见性
有序性保证	同步代码块内部	禁止块内指令重排序

关键问题：外层非同步检查无法享受synchronized的可见性保证

2.2 volatile的核心作用

private static volatile Singleton instance = null;

volatile的三重保障：

可见性屏障：强制所有线程从主内存读取最新值
禁止重排序：通过内存屏障阻止JVM优化指令顺序
Happens-Before保证：确保写操作先于后续读操作

三、指令重排序的致命陷阱

3.1 对象创建的真实过程

instance = new Singleton();

实际执行步骤：

分配对象内存空间
初始化对象（调用构造函数）
将引用指向内存地址

3.2 重排序的灾难性后果

没有volatile修饰时，JVM可能将步骤2和3重排序：

sequenceDiagram
    线程A->>内存: 1.分配内存
    线程A->>内存: 3.设置引用(未初始化)
    线程B->>线程A: 检测到instance非空
    线程A->>内存: 2.初始化对象

此时其他线程可能访问到半初始化状态的对象！

3.3 实际案例分析

假设Singleton构造函数需要初始化资源：

public class Singleton {
    private Resource resource;
    
    private Singleton() {
        this.resource = new Resource(); // 耗时初始化操作
    }
}

当发生指令重排序时：

线程A完成步骤1和3后挂起
线程B获得未初始化resource的Singleton实例
导致NPE等严重问题

四、可见性问题的深度解析

4.1 内存可见性模型

graph LR
    A[主内存] --> B[线程工作内存]
    A --> C[线程工作内存]
    B --> A
    C --> A

4.2 无volatile的可见性问题

线程A完成实例化后，修改可能停留在工作内存
线程B在外层检查时无法感知到最新值
导致重复创建实例，破坏单例特性

五、双重校验锁的演进历程

5.1 Java 5之前的DCL问题

在JSR-133内存模型修订前，volatile的语义不足以完全解决DCL问题

5.2 现代JVM的解决方案

通过增强的volatile语义：

写操作：插入StoreStore屏障 + StoreLoad屏障
读操作：插入LoadLoad屏障 + LoadStore屏障

内存屏障示意图：

写操作：
[普通写] -> StoreStore屏障 -> [volatile写] -> StoreLoad屏障

读操作：
LoadLoad屏障 -> [volatile读] -> LoadStore屏障 -> [普通读]

六、最佳实践与替代方案

6.1 枚举单例（推荐方案）

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    
    public void doSomething() {
        // 方法实现
    }
}

6.2 静态内部类方案

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

七、总结与思考

关键知识点回顾

技术要点	作用机制
synchronized	保证代码块内的原子性、可见性和有序性
volatile	保证变量的可见性，禁止指令重排序
内存屏障	通过插入特定屏障指令实现内存可见性和顺序性控制