Java单例模式双重检查

// Single threaded version
class Foo {
    private Helper helper = null;
    public Helper getHelper() {
        if (helper == null) {
            helper = new Helper();
        }
        return helper;
    }
 
    // other functions and members...
}

这段在使用多线程的情况下无法正常工作。在多个线程同时调用getHelper()时，必须要获取锁，否则，这些线程可能同时去创建对象，或者某个线程会得到一个未完全初始化的对象。

锁可以通过代价很高的同步来获得，就像下面的例子一样。

// Correct but possibly expensive multithreaded version
class Foo {
    private Helper helper = null;
    public synchronized Helper getHelper() {
        if (helper == null) {
            helper = new Helper();
        }
        return helper;
    }
 
    // other functions and members...
}

只有getHelper()的第一次调用需要同步创建对象，创建之后getHelper()只是简单的返回成员变量，而这里是无需同步的。 由于同步一个方法会降低100倍或更高的性能^[2]， 每次调用获取和释放锁的开销似乎是可以避免的：一旦初始化完成，获取和释放锁就显得很不必要。许多程序员一下面这种方式进行优化：

1. 检查变量是否被初始化(不去获得锁)，如果已被初始化立即返回这个变量。
2. 获取锁
3. 第二次检查变量是否已经被初始化：如果其他线程曾获取过锁，那么变量已被初始化，返回初始化的变量。
4. 否则，初始化并返回变量。

// Broken multithreaded version
// "Double-Checked Locking" idiom
class Foo {
    private Helper helper = null;
    public Helper getHelper() {
        if (helper == null) {
            synchronized(this) {
                if (helper == null) {
                    helper = new Helper();
                }
            }
        }
        return helper;
    }
 
    // other functions and members...
}

直觉上，这个算法看起来像是该问题的有效解决方案。然而，这一技术还有许多需要避免的细微问题。例如，考虑下面的事件序列：

1. 线程A发现变量没有被初始化, 然后它获取锁并开始变量的初始化。
2. 由于某些编程语言的语义，编译器生成的代码允许在线程A执行完变量的初始化之前，更新变量并将其指向部分初始化的对象。
3. 线程B发现共享变量已经被初始化，并返回变量。由于线程B确信变量已被初始化，它没有获取锁。如果在A完成初始化之前共享变量对B可见（这是由于A没有完成初始化或者因为一些初始化的值还没有穿过B使用的内存(缓存一致性)），程序很可能会崩溃。

在J2SE 1.4或更早的版本中使用双重检查锁有潜在的危险，有时会正常工作：区分正确实现和有小问题的实现是很困难的。取决于编译器，线程的调度和其他并发系统活动，不正确的实现双重检查锁导致的异常结果可能会间歇性出现。重现异常是十分困难的。

在J2SE 5.0中，这一问题被修正了。volatile关键字保证多个线程可以正确处理单件实例。[4]描述了这一新的语言特性:

// Works with acquire/release semantics for volatile
// Broken under Java 1.4 and earlier semantics for volatile
class Foo {
    private volatile Helper helper = null;
    public Helper getHelper() {
        Helper result = helper;
        if (result == null) {
            synchronized(this) {
                result = helper;
                if (result == null) {
                    helper = result = new Helper();
                }
            }
        }
        return result;
    }
 
    // other functions and members...
}

注意局部变量result的使用看起来是不必要的。对于某些版本的Java虚拟机，这会使代码提速25%，而对其他的版本则无关痛痒。^[3]

如果helper对象是静态的(每个类只有一个), 可以使用双重检查锁的替代模式惰性初始化模式^[4]。查看^[5] 上的列表16.6。

// Correct lazy initialization in Java
@ThreadSafe
class Foo {
    private static class HelperHolder {
       public static Helper helper = new Helper();
    }
 
    public static Helper getHelper() {
        return HelperHolder.helper;
    }
}

这是因为内部类直到他们被引用时才会加载。

Java 5中的final语义可以不使用volatile关键字实现安全的创建对象：^[6]

public class FinalWrapper<T> {
    public final T value;
    public FinalWrapper(T value) {
        this.value = value;
    }
}
 
public class Foo {
   private FinalWrapper<Helper> helperWrapper = null;
 
   public Helper getHelper() {
      FinalWrapper<Helper> wrapper = helperWrapper;
 
      if (wrapper == null) {
          synchronized(this) {
              if (helperWrapper == null) {
                  helperWrapper = new FinalWrapper<Helper>(new Helper());
              }
              wrapper = helperWrapper;
          }
      }
      return wrapper.value;
   }
}

为了正确性，局部变量wrapper 是必须的。这一实现的性能不一定比使用volatile 的性能更高。