概述

关于一般单例模式的创建和分析在我的另一篇博客《Java设计模式——单件模式》中有详细说明。只是在上篇博客中的单例是针对于单线程的操作，而对于多线程却并不适用，本文就从单例模式与多线程安全的角度出发，讲解单例模式在多线程中应该如何被使用。

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本文作者：Coding-Naga
发表日期： 2016年4月6日
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来源：CSDN
更多内容：分类 >> 并发与多线程

一般情况下的单例模式的创建

首先我们基于单例模式来编写一个Student的类。如下：
Student.java

public class Student {

    private static Student student = null;

    private Student() {
    }

    public static Student getInstance() {
        if (student == null) {
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread() + "进入，student = " + student);
            student = new Student();
        }
        return student;
    }
}

我们将创建学生类的任务交给一个 Runnable 去完成。
CreateRunnable.java

public class Createable implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        Student student = Student.getInstance();
        System.out.println("学生类被创建：" + student);
        System.out.println("Hashcode：" + student.hashCode());
    }

}

如下是测试代码：
Client.java

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new Createable());
        Thread thread2 = new Thread(new Createable());
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

运行结果

线程Thread[Thread-0,5,main]进入，student = null
线程Thread[Thread-1,5,main]进入，student = null
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@1dbaf954
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@6df90bbf
Hashcode：1845038015
Hashcode：498792788

从上面程序的运行结果来看，很明显这里创建了两个不同的对象。这与单例模式的定义相悖了。因为在多线程环境下，很明显 getInstance() 方法不能保证原子性，所以这种方法在多线程下是不安全的。

基于 synchronized 的同步解决方案

在一般情况下的单例模式的创建中，我们知道那是一种不安全的创建对象的方案。那么就很容易想到用多线程同步的方法来解决，就是使用关键字 synchronized 来实现同步策略。使用 synchronized 之后的代码及运行结果如下：
Student.java

public synchronized static Student getInstance() {
        if (student == null) {
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread() + "进入，student = " + student);
            student = new Student();
        }
        return student;
    }

运行结果

线程Thread[Thread-0,5,main]进入，student = null
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@1dbaf954
Hashcode：498792788
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@1dbaf954
Hashcode：498792788

从运行结果上可以看出，这里的同步策略是有效的，Thread-0 和 Thread-1 创建的是同一个对象。而关于 synchronized 关键字的详细说明请参见《Java多线程之synchronized和volatile的比较》一文。
不过，对于系统而言，synchronized 同步策略的实现其实是一项性能开销非常大的操作。这可能是 synchronized 需要对对象加锁的缘故。

基于双重检查锁定的解决方案

方案分析及测试

上面说到 synchronized 同步策略对性能开销比较大，对于可能存在大量的 getInstance() 方法调用时，对于系统而言可能就会难以负荷或运行缓慢。这里想到的方法就是减少对 synchronized 关键字的调用。也就是下面要说的双重检查锁定。
Student.java

public class Student {
    ... ...    
    public static Student getInstance() {
        System.out.println("线程" + Thread.currentThread() + "进入，student = " + student);
        if (student == null) {
            synchronized(Student.class) {
                if (student == null) {
                    student = new Student();
                }
            }
        }
        return student;
    }
}

运行结果-1

线程Thread[Thread-0,5,main]进入，student = null
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@386f4317
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@386f4317
Hashcode：946815767
Hashcode：946815767

运行结果-2

线程Thread[Thread-1,5,main]进入，student = null
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@1dbaf954
Hashcode：498792788
线程Thread[Thread-0,5,main]进入，student = org.naga.demo.thread.singleton.Student@1dbaf954
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@1dbaf954
Hashcode：498792788

这里的结果是没有问题的。只是你可能会有疑问，为什么这里采用双重检查锁定？之前我们不是已经对 student 对象进行了判空操作了么，这里怎么还要进行第二次判空？其实在理解了多线程执行的过程，这个问题也就很好回答了。假定有两个线程 T-0 和 T-1，它们现在同时到达第一个 if (student == null) 判空操作，那么这两个线程都可以进入到 if (student == null) 的内部，因为在此之前对象的访问还没有被锁定；这个时候，如果 T-0 获得了锁，并对对象进行初始化操作，结束后释放锁；然后 T-1 获得了 T-0 释放的锁，如果这里不进行第二次判空操作的话，那么 T-1 也会创建一个对象，这个对象与 T-0 创建的是两个完全不同的对象。而如果这里我们进行了第二次判空操作，那么 T-1 得到的对象不为空，就不会再次创建新的对象了。这个方案设计得十分巧妙，既解决了同步带来的性能开销，又保证了单例模式的构建。

存在的问题

对于这一小节，我本人还没有找到一个可以正确测试的方法。这里所作的逻辑说明是来自于《Java 并发编程的艺术》一书。如果你有好的验证方法，欢迎以评论的方式与我交流，共同进步。
这里介绍的双重检查锁定的方案，这的确是一个很巧妙的设计。不过也存在一些细微的问题，这个问题就在于 student = new Student(); 这句代码。对于通过 new 创建对象的过程可以分解成以下3行伪代码。

memory = allocate();    // 1: 分配对象的内存空间
ctorInstance(memory);   // 2: 初始化对象
instance = memory;      // 3: 设置 instance 指向刚分配的内存地址

而这里的2、3两个步骤可以被重排序，重排序的结果就像下面的这样：

memory = allocate();    // 1: 分配对象的内存空间
instance = memory;      // 2: 设置 instance 指向刚分配的内存地址
                        // 这时，memory处的对象还没有被初始化
ctorInstance(memory);   // 3: 初始化对象

因为这个重排序的过程，所以这里就有一个问题了。假设有一个线程 T-0 当前执行到上面重排序后伪代码的第2步完成，第3步还没开始时，有一个线程 T-1 进来了，要进行第一次 if (student == null) 判断。因为这里 instance 已经被指向了 memory 分配的地址了。所以，这时 T-1 判断的对象是一个未被初始化的对象。这样就出现了下面这样的输出了。

线程Thread[Thread-1,5,main]进入，student = null
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@1dbaf954
Hashcode：498792788
线程Thread[Thread-0,5,main]进入，student = org.naga.demo.thread.singleton.Student@1dbaf954
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@1dbaf954
Hashcode：498792788

尽管如此，我们还是不能直接就说出了问题，因为这里也有可能 T-1 就是在 T-0 对对象创建完成之后才进来的。这里还是看看最佳的实践方案吧。

基于 volatile 的解决方案

上面介绍了双重检查锁定存在的一些弊端，不过我们还是有办法解决的。只要对 student 对象进行 volatile 关键字修饰即可。
Student.java

public class Student {
    private volatile static Student student = null;
    ... ...
}

运行结果

线程Thread[Thread-0,5,main]进入，student = null
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@6df90bbf
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@6df90bbf
Hashcode：1845038015
Hashcode：1845038015

这样就保证了多线程之间，对共享变量的可见性。

基于类初始化的解决方案

在类的初始化阶段（即在Class被加载之后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，JVM会去获得一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的同步初始化。

Student.java

public class Student {

    private Student() {
    }

    private static class StudentHolder {
        private final static Student instance = new Student();
    }

    public static Student getInstance() {
        return StudentHolder.instance;
    }
}

运行结果

学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@386f4317
学生类被创建：org.naga.demo.thread.singleton.Student@386f4317
Hashcode：946815767
Hashcode：946815767

Ref

• 《Java 多线程编程核心技术》
• 《Java 并发编程的艺术》