java 中单例模式DCL的缺陷及单例的正确写法

1 前言

单例模式是我们经常使用的一种模式，一般来说很多资料都建议我们写成如下的模式：

/**
 * Created by qiyei2015 on 2017/5/13.
 */
public class Instance {
    private String str = "";
    private int a = 0;

    private static Instance ins = null;
    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private Instance(){
        str = "hello";
        a = 20;
    }
    
    /**
     * DCL方式获取单例
     * @return
     */
    public static Instance getInstance(){
        if (ins == null){
            synchronized (Instance.class){
                if (ins == null){
                    ins = new Instance();
                }
            }
        }
        return ins;
    }
    
}

但是这种方式其实是有缺陷的，具体什么缺陷呢？我们首先要了解JVM了内存模型，请看下面分析

2 JVM内存模型

JVM模型如下图：

这里着重介绍下VM Stack,其他的我相信都比较熟悉。
VM Stack是线程私有的区域。他是java方法执行时的字典：它里面记录了局部变量表、 操作数栈、 动态链接、 方法出口等信息。

在《java虚拟机规范》一书中对这部分的描述如下：

栈帧（ Frame）是用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接 (Dynamic Linking)、 方法返回值和异常分派（ Dispatch Exception）。
栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是异常完成（抛出了在方法内未被捕获的异常）都算作方法结束。
栈帧的存储空间分配在 Java 虚拟机栈（ §2.5.5）之中，每一个栈帧都有自己的局部变量表（ Local Variables， §2.6.1）、操作数栈（ OperandStack， §2.6.2）和指向当前方法所属的类的运行时常量池（ §2.5.5）的引用。

java中某个线程在访问堆中的线程共享变量时，为了加快访问速度，提升效率，会把该变量临时拷贝一份到自己的VM Stack中，并保持和堆中数据的同步。

3 传统DCL方式的缺陷

有了以上的基础知识我们就可以知道DCL方式的缺陷在哪儿了。当线程A在获取了Instance.class锁时，对ins进行 ins = new Instance() 初始化时，由于这是很多条指令，jvm可能会乱序执行。这个时候如果线程B在执行if (ins == null)时，正常情况下，如果为true，说明需要获取Instance.class锁，等待初始化。但是这时候，假设线程A再没有对ins进行初始化完，比如只对str进行了赋值，还没有来的及对a进行赋值，假如jvm将未完成赋值的值拷贝回堆中，这个时候线程B有可能读到的值就不是为null了，就会造成数据丢失的情况。这时候我们发现线程B获取的对象中a的值是0，而不是20

因为：对ins的写操作不 happen-before 对它的读操作

这就是DCL方式的缺陷，那么怎么避免呢？首先我们需要了解分析多线程的一大利器

4 happen-before原则

Happen-Before规则：

1 同一个线程中，书写在前面的操作happen-before书写在后面的操作。这条规则是说，在单线程 中操作间happen-before关系完全是由源代码的顺序决定的，这里的前提“在同一个线程中”是很重要的，这条规则也称为单线程规则 。这个规则多少说得有些简单了，考虑到控制结构和循环结构，书写在后面的操作可能happen-before书写在前面的操作，不过我想读者应该明白我的意思。
2 对锁的unlock操作happen-before后续的对同一个锁的lock操作。这里的“后续”指的是时间上的先后关系，unlock操作发生在退出同步块之后，lock操作发生在进入同步块之前。这是条最关键性的规则，线程安全性主要依赖于这条规则。但是仅仅是这条规则仍然不起任何作用，它必须和下面这条规则联合起来使用才显得意义重大。这里关键条件是必须对“同一个锁”的lock和unlock。
如果操作A happen-before操作B，操作B happen-before操作C，那么操作A happen-before操作C。这条规则也称为传递规
3 对volatile字段的写操作happen-before后续的对同一个字段的读操作.（Java5 新增）

4 单例模式的正确写法

有了以上的分析我们知道，我们只需要在保证对ins的访问是读在写之后即可，因此正确的做法是在ins 前加上一个关键字volatile。因此DCL的正确写法应该如下：

/**
 * Created by qiyei2015 on 2017/5/13.
 */
public class Instance {
    private String str = "";
    private int a = 0;

    private volatile static Instance ins = null;
    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private Instance(){
        str = "hello";
        a = 20;
    }

    /**
     * DCL方式获取单例
     * @return
     */
    public static Instance getInstance(){
        if (ins == null){
            synchronized (Instance.class){
                if (ins == null){
                    ins = new Instance();
                }
            }
        }
        return ins;
    }

}

其实单例模式也有另一种我很喜欢的写法，那就是内部类：

/**
 * Created by qiyei2015 on 2017/5/13.
 */
public class Instance {

    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private Instance(){
    }
    
    private static class SingleHolder{
        private static final Instance ins = new Instance();
    }

    /**
     * 内部类方式获取单例
     * @return
     */
    public static Instance getInstance(){
        return SingleHolder.ins;
    }
    
}

这种从jvm虚拟机上保证了单例，并且也是懒式加载。