单例模式也没那么简单

先来看一下懒汉式单例的实现方式。

简单版本

把构造器改为私有的，这样能够防止被外部的类调用。

// Version 1.0
public class Singleton{
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

每次获取instance之前先进行判断，如果instance为空就new一个出来，否则就直接返回已存在的instance。

这种写法在大多数的时候也是没问题的。问题在于，当多线程工作的时候，如果有多个线程同时运行到if (instance == null)，都判断为null，那么两个线程就各自会创建一个实例——这样一来，就不是单例了。

synchronized版本

那既然可能会因为多线程导致问题，那么加上一个同步锁吧！

修改后的代码如下，相对于Version1.0，只是在方法上多加了一个synchronized：

// Version 2 
public class Singleton{
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

加上synchronized关键字之后，getInstance方法就会锁上了。如果有两个线程（T1、T2）同时执行到这个方法时，会有其中一个线程T1获得同步锁，得以继续执行，而另一个线程T2则需要等待，当第T1执行完毕getInstance之后（完成了null判断、对象创建、获得返回值之后），T2线程才会执行执行。——所以这端代码也就避免了Version1.0中，可能出现因为多线程导致多个实例的情况。

但是，这种写法也有一个问题：给gitInstance方法加锁，虽然会避免了可能会出现的多个实例问题，但是会强制除T1之外的所有线程等待，实际上会对程序的执行效率造成负面影响。

双重检查（Double-Check）版本

改进后的代码Vsersion3如下：

// Version 3 
public class Singleton{
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这个版本的代码看起来有点复杂，注意其中有两次if (instance == null)的判断，这个叫做『双重检查 Double-Check』。

第一个if (instance == null)，其实是为了解决Version2中的效率问题，只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段——大大减少了几率。

第二个if (instance == null)，则是跟Version2一样，是为了防止可能出现多个实例的情况。

还是有小概率出现问题的。

这弄清楚为什么这里可能出现问题，首先，我们需要弄清楚几个概念：原子操作、指令重排。

知识点：什么是原子操作？

简单来说，原子操作（atomic）就是不可分割的操作，在计算机中，就是指不会因为线程调度被打断的操作。

比如，简单的赋值是一个原子操作：

m = 6; // 这是个原子操作

假如m原先的值为0，那么对于这个操作，要么执行成功m变成了6，要么是没执行m还是0，而不会出现诸如m=3这种中间态——即使是在并发的线程中。

而，声明并赋值就不是一个原子操作：

int n = 6; // 这不是一个原子操作

对于这个语句，至少有两个操作：

①声明一个变量n

②给n赋值为6

——这样就会有一个中间状态：变量n已经被声明了但是还没有被赋值的状态。

——这样，在多线程中，由于线程执行顺序的不确定性，如果两个线程都使用m，就可能会导致不稳定的结果出现。

知识点：什么是指令重排？

简单来说，就是计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。

比如，这一段代码：

int a ; // 语句1
a = 8 ; // 语句2
int b = 9 ; // 语句3
int c = a + b ; // 语句4

正常来说，对于顺序结构，执行的顺序是自上到下，也即1234。

但是，由于指令重排的原因，因为不影响最终的结果，所以，实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。

由于语句3和4没有原子性的问题，语句3和语句4也可能会拆分成原子操作，再重排。
——也就是说，对于非原子性的操作，在不影响最终结果的情况下，其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。

了解了原子操作和指令重排的概念之后，我们再继续看Version3代码的问题。

主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。

给 singleton 分配内存

调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例

将instance 对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了）

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

再稍微解释一下，就是说，由于有一个『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance == null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。

这里的关键在于——线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。

终极版本：volatile

对于Version3中可能出现的问题（当然这种概率已经非常小了，但毕竟还是有的嘛~），解决方案是：只需要给instance的声明加上volatile关键字即可，Version4版本：

// Version 4 
public class Singleton {
    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;
    }
}

volatile关键字的一个作用是禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障（什么是内存屏障？），这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。

注意：volatile阻止的不是singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。