Java 單例模式演進：從餓漢到雙重檢查鎖的線程安全優化之路

五種寫法演進對比

1. 餓漢式 (類加載時創建)

public class Singleton {
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() { return INSTANCE; }
}

• ✅ 線程安全（類加載機制保證）
• ✅ 實現最簡單
• ❌ 無延遲加載：類加載即創建，即使從未使用也佔用內存

2. 懶漢式 (首次調用創建) — 非線程安全

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

• ✅ 延遲加載
• ❌ 多線程下會創建多個實例（競態條件）

3. 同步方法 — 線程安全但性能差

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

• ✅ 線程安全
• ❌ 每次調用都加鎖，並發性能極差（實際只需首次加鎖）

4. 雙重檢查鎖 (DCL) — 看似完美實有陷阱

// 錯誤版：缺少 volatile
public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
}

問題：instance = new Singleton() 非原子操作（分配內存 → 初始化對象 → 賦值引用），JVM 可能重排序為「分配 → 賦值 → 初始化」。線程 A 執行到賦值時，instance 非 null 但對象未初始化完成，線程 B 進入首次判斷見非 null 直接返回，導致使用半初始化對象。

5. 雙重檢查鎖 + volatile — 標準正確寫法 (JDK 5+)

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance; // 關鍵：禁止指令重排
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {                  // 第一次檢查（無鎖，性能）
            synchronized (Singleton.class) {     // 加鎖
                if (instance == null) {          // 第二次檢查（防止重複創建）
                    instance = new Singleton();  // volatile 保證初始化可見性
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

• volatile 禁止指令重排序，確保「初始化完成」先於「引用賦值」對其他線程可見。
• 首次檢查避免不必要的同步開銷，後續調用直接返回，性能優異。

其他優秀變體

靜態內部類 (推薦，JDK 1.2+)

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static class Holder {
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    public static Singleton getInstance() { return Holder.INSTANCE; }
}

• 利用類加載機制天然線程安全。
• 延遲加載：Holder 類僅在首次調用 getInstance() 時加載。
• 代碼簡潔，無同步、無 volatile，最推薦。

枚舉單例 (Effective Java 作者 Josh Bloch 推薦)

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void doSomething() { ... }
}

• 天然線程安全、防反射攻擊、防序列化重複創建。
• 語法最簡潔，但無法延遲加載（枚舉類加載即創建），且不能繼承其他類。

性能與選擇建議

常見面試追問

1. 為什麼 DCL 需要 volatile？ 禁止指令重排序，保證對象發布時已完全初始化（happens-before）。
2. 反射能否破壞單例？ 构造器私有化可被 setAccessible(true) 繞過。枚舉單例免疫（JVM 保證）。防御：構造器中檢查 if (instance != null) throw new IllegalStateException()。
3. 序列化/反序列化能否破壞？ 實現 Serializable 且無 readResolve() 會創建新對象。防御：private Object readResolve() { return instance; }。枚舉單例免疫。
4. 類加載器隔離下單例是否唯一？ 不同類加載器加載同一類視為不同類型，各自擁有單例。Web 容器、OSGi 等模塊化環境需注意。