单例模式的双重校验锁

java中的单例模式（Singleton Pattern）有多种实现方式，其中双重检查锁定（Double-Checked Locking）是一种常见且高效的方式来确保线程安全并减少性能开销。下面我会详细解释双重检查锁定的实现原理及其实现方法。

单例模式简介
单例模式是一种创建型设计模式，目的是确保一个类只有一个实例，并且提供全局访问点。在多线程环境下，我们需要保证在并发环境中只会创建一个实例，并且尽可能减少锁的开销。

双重检查锁定（Double-Checked Locking）
双重检查锁定的核心思想是：在获取实例时，第一次检查是否已存在实例，如果已经存在，直接返回；如果不存在，再进入同步块中进行第二次检查，以确保只有一个线程创建实例。

这种方法可以减少不必要的同步开销，提供更好的性能。

public class Singleton {

// 1. 使用 volatile 关键字保证内存可见性和禁止指令重排
private static volatile Singleton instance;

// 2. 私有化构造器，防止外部直接创建实例
private Singleton() {
    // 防止反射时创建多个实例
    if (instance != null) {
        throw new IllegalStateException("Singleton instance already created.");
    }
}

// 3. 提供公共的静态方法获取实例
public static Singleton getInstance() {
    // 4. 第一次检查：如果实例已创建，则直接返回
    if (instance == null) {
        // 5. 同步块：进入同步块后只有一个线程可以创建实例
        synchronized (Singleton.class) {
            // 6. 第二次检查：防止多个线程在第一次检查时并发创建实例
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance;
}

}

代码解释
volatile 关键字：instance 变量被声明为 volatile，这保证了内存的可见性和禁止了指令重排。在多线程环境下，volatile 能确保当一个线程更新 instance 时，其他线程能够立即看到这个更新值。它还防止 JVM 在实例化对象时对构造过程进行优化，以保证实例化对象的顺序是正确的。

第一次检查 (if (instance == null))：在没有锁的情况下，先检查 instance 是否已经被初始化。如果已经被初始化，直接返回该实例。这是为了避免不必要的同步开销，提升性能。

同步块 (synchronized (Singleton.class))：如果 instance 为 null，表示还没有创建实例，此时进入同步块，确保只有一个线程能够进入并创建实例。

第二次检查：在同步块中再次检查 instance 是否为 null，因为在同步块外的第一次检查后，可能已经有其他线程创建了实例。这样就能确保只有第一个进入同步块的线程会创建实例，其他线程将直接返回已创建的实例。

为什么需要双重检查？
性能：每次调用 getInstance() 方法时，双重检查锁定方式在首次检查到实例已经创建时，直接返回实例，而不进入同步块，避免了每次访问时都需要进行锁操作，提高性能。
线程安全：通过同步机制，确保了多线程环境下实例的唯一性，避免了线程安全问题。
需要注意的事项
volatile 关键字：如果没有使用 volatile，可能会出现指令重排的问题，导致多个线程看到未完全构造的对象。使用 volatile 可以保证对象构造过程的原子性。

反射攻击：如果在反射中强制调用构造函数，可能会绕过单例模式的限制，导致创建多个实例。为了防止这种情况，可以在构造函数中加入判断，若实例已经创建，则抛出异常。

总结
双重检查锁定的单例模式是一种高效且线程安全的方式，它通过两次检查减少了同步的开销，在性能要求较高的多线程环境下非常有用。然而，这种方式需要小心处理 volatile 关键字和可能的反射攻击。

最后编辑于：2024.11.06 09:28:27