单例设计模式之懒汉式以及线程安全问题

在单例设计模式中，懒汉式（Lazy Initialization） 通过延迟实例化来优化资源使用，但在多线程环境下存在线程安全问题。以下是其核心问题及解决方案的详细解析：

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一、基础懒汉式代码（线程不安全）

public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {} // 私有构造器public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {         // 步骤1：检查实例是否存在instance = new Singleton(); // 步骤2：创建实例}return instance;}
}

问题分析

当多个线程同时调用 getInstance() 时：

1. 线程A 进入步骤1，发现 instance 为 null。

2. 线程B 同时进入步骤1，同样发现 instance 为 null。

3. 两个线程都会执行步骤2，创建多个实例，违反单例原则。

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二、解决方案

1. 同步方法（线程安全，效率低）

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

• 优点：简单直接，确保线程安全。

• 缺点：每次调用 getInstance() 都需要同步，性能差（99% 情况下实例已存在，无需同步）。

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2. 双重检查锁（Double-Check Locking，DCL）

public class Singleton {private static volatile Singleton instance; // volatile 禁止指令重排序private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {                  // 第一次检查（无锁）synchronized (Singleton.class) {     // 加锁if (instance == null) {          // 第二次检查（有锁）instance = new Singleton();  // 创建实例}}}return instance;}
}

关键点

• 双重检查：减少锁竞争，只有第一次创建实例时同步。

• volatile 关键字：禁止 JVM 指令重排序，防止返回未初始化完成的实例。

  • instance = new Singleton() 的代码实际分为三步：

    1. 分配内存空间。

    2. 初始化对象。

    3. 将 instance 指向分配的内存。

  • 若无 volatile，可能发生指令重排（步骤3在步骤2之前执行），导致其他线程获取到未初始化的实例。

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3. 静态内部类（推荐）

public class Singleton {private Singleton() {}private static class Holder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}public static Singleton getInstance() {return Holder.INSTANCE; // 类加载时初始化实例}
}

原理

• JVM 在加载外部类时不会加载内部类，只有调用 getInstance() 时才会加载 Holder 类。

• 类加载过程是线程安全的，由 JVM 保证，天然避免多线程问题。

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4. 枚举实现（最佳实践）

public enum Singleton {INSTANCE; // 单例实例public void doSomething() {// 业务方法}
}

优点

• 线程安全由 JVM 保证。

• 防止反射攻击（无法通过反射创建枚举实例）。

• 防止反序列化生成新对象。

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三、方案对比

方案	线程安全	性能	实现复杂度	防反射/反序列化
同步方法	✅	❌	低	❌
双重检查锁	✅	✅	中	❌
静态内部类	✅	✅	低	❌
枚举	✅	✅	低	✅

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四、总结

• 基础懒汉式：多线程下不安全，需改进。

• 同步方法：简单但性能差，不推荐高并发场景。

• 双重检查锁：性能优，需配合 volatile。

• 静态内部类：推荐方案，兼顾安全与性能。

• 枚举：最佳实践，支持防反射和反序列化。