Java中的双重检查锁单例是兼顾线程安全和性能的常见实现方案，但不少开发者在实现时会忽略volatile关键字的作用，甚至认为不加也能正常运行，实际上不加volatile会带来严重的线程安全隐患，根源在于CPU的指令重排序机制。
双重检查锁单例的基础实现
我们先来看一个不加volatile的双重检查锁单例代码示例：
public class Singleton {
// 没有加volatile修饰
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
什么是指令重排序
指令重排序是CPU为了优化执行效率，在不改变单线程程序执行结果的前提下，对指令的执行顺序进行重新排序的机制。在Java中，instance = new Singleton()这行代码并不是原子操作，它可以被拆分为三个步骤：
- 步骤1：分配Singleton对象的内存空间
- 步骤2：初始化Singleton对象，执行构造方法内的逻辑
- 步骤3：将instance引用指向分配好的内存空间
在没有volatile修饰的情况下，步骤2和步骤3可能会被重排序，变成先执行步骤3，再执行步骤2。这种重排序在单线程环境下不会有问题，因为线程内感知到的执行结果是一致的，但在多线程环境下就会引发问题。
不加volatile的隐患：获取半初始化对象
我们模拟多线程场景下的执行流程：
- 线程A进入getInstance方法，第一次判断instance为null，获取锁进入同步块
- 线程A执行
instance = new Singleton()，此时发生指令重排序，先执行了步骤3，将instance指向了内存空间，此时instance已经不为null，但步骤2还没有执行，对象还没有完成初始化，属于半初始化状态 - 线程B进入getInstance方法，第一次判断instance不为null，直接返回instance
- 线程B拿到了这个半初始化的对象，后续调用对象的方法时就可能出现空指针等异常
这种问题属于偶现问题，很难在测试阶段发现，只会在高并发场景下偶尔触发，排查起来非常困难。
volatile如何解决该问题
volatile关键字有两个核心作用：一是保证变量的可见性，一个线程修改了volatile变量，其他线程能立即感知到最新值；二是禁止指令重排序，对volatile变量的写操作，会保证写操作之前的指令不会被重排序到写操作之后。
当我们给instance加上volatile修饰后，instance = new Singleton()的写操作会被禁止重排序，步骤2一定会在步骤3之前执行，这样其他线程拿到instance的时候，对象一定已经完成了初始化，不会出现半初始化对象的问题。
正确的双重检查锁单例实现
下面是加上volatile的正确实现代码：
public class Singleton {
// 加volatile修饰，禁止指令重排序
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
其他注意事项
除了volatile的问题，双重检查锁单例还需要注意构造方法私有化，避免外部通过new创建对象。另外，如果单例对象需要序列化，还需要实现readResolve方法，避免反序列化时创建新的对象破坏单例特性。
在实际开发中，如果不想处理volatile和双重检查的问题，也可以使用静态内部类的方式实现单例，这种方式同样能保证线程安全且懒加载，实现起来更简单：
public class Singleton {
private Singleton() {}
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
静态内部类的实现利用了类加载的机制，静态内部类只有在被调用时才会加载，加载时初始化INSTANCE实例，类加载的过程是线程安全的，因此不需要额外的同步措施，也没有指令重排序的问题。