單例模式的雙重加鎖實現

本文從單例模式的一般實現方式開始說起，逐步深入到雙重加鎖實現。

1. 首先介紹一下最簡單的單例模式——餓漢模式，這種方式在單例類被加載的時候實例化。代碼實現如下：

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

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

餓漢模式的缺點在於，如果單例對象的創建過程比較耗時，那么應用程序的啟動將會比較慢。

2. 為了克服餓漢模式的缺點，將單例對象的創建過程延后到第一次使用單例對象時，這種實現方式被稱為懶漢模式。代碼實現如下：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        
        return instance;
    }
}

      需要注意的是這種實現方式是線程不安全的。假設在單例類被實例化之前，有兩個線程同時在獲取單例對象，線程1在執行完第8行 if (instance == null) 后，線程調度機制將 CPU 資源分配給線程2，此時線程2在執行第8行  if (instance == null) 時也發現單例類還沒有被實例化，這樣就會導致單例類被實例化兩次。為了防止這種情況發生，需要對 getInstance() 方法同步。下面看改進后的懶漢模式：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {
    }
    
    // 線程安全的懶漢模式
    public synchronized static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        
        return instance;
    }
}

3. 雙重加鎖（double check）

      第2種實現方式中，每次獲取單例對象時都會加鎖，這樣就會帶來性能損失。雙重加鎖實現本質也是一種懶漢模式，相比第2種實現方式將會有較大的性能提升。代碼實現如下：

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    
    private Singleton() {
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        
        return instance;
    }
}

       就算在單例類被實例化時有多個線程同時通過了第8行代碼 if (instance == null) 的判斷，但同一時間只有一個線程獲得鎖后進入臨界區。通過第8行判斷的每個線程會依次獲得鎖進入臨界區，所以進入臨界區后還要再判斷一次單例類是否已被其它線程實例化，以避免多次實例化。由於雙重加鎖實現僅在實例化單例類時需要加鎖，所以相較於第2種實現方式會帶來性能上的提升。另外需要注意的是雙重加鎖要對 instance 域加上 volatile 修飾符。由於 synchronized 並不是對 instance 實例進行加鎖（因為現在還並沒有實例），所以線程在執行完第11行修改 instance 的值后，應該將修改后的 instance 立即寫入主存（main memory），而不是暫時存在寄存器或者高速緩沖區（caches）中，以保證新的值對其它線程可見。

      補充：第9行可以鎖住任何一個對象，要進入臨界區必須獲得這個對象的鎖。由於並不知道其它對象的鎖的用途，所以這里最好的方式是對 Singleton.class 進行加鎖。