Java并发编程中的线程安全设计模式

单例模式多线程下出问题主因是懒汉式未同步导致重复创建及JVM重排序引发未初始化对象暴露；DCL需volatile禁止重排序，静态内部类更安全轻量，ThreadLocal是线程级非全局单例。

为什么单例模式在多线程下会出问题

因为 getInstance() 方法里常见的懒汉式实现没有同步控制，多个线程可能同时通过 if (instance == null) 判断，各自创建新实例，破坏单例语义。

• 最典型的错误写法是直接在方法体里用 new Singleton() 而不加锁或双重检查
• JVM 的指令重排序可能导致 instance 引用被提前赋值，但对象构造尚未完成，其他线程拿到未初始化完成的对象
• 即使加了 synchronized，整个方法加锁会严重降低并发性能

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {  // 线程A和B都可能在这里为true
            instance = new Singleton(); // 可能发生重排序：引用先于构造完成
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁定（DCL）必须配合 volatile

volatile 关键字不是可选的——它禁止指令重排序，并保证其他线程能看到 instance 的最新值。缺了它，DCL 在 JDK 5 之前几乎必然失效。

• volatile 不能防止构造函数被多次调用，但它确保“看到的引用一定是完全初始化后的”
• 注意：volatile 仅对引用本身有效，不递归保护内部字段；若单例对象内部有可变状态，仍需额外同步
• DCL 适用于初始化开销大、使用频率高的场景；如果初始化快，直接用静态内部类更简洁

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;
    }
}

静态内部类方式比 DCL 更安全也更轻量

利用 JVM 类加载机制的天然线程安全性，既避免同步开销，又无需 volatile，且代码更简短清晰。

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• 外部类加载时，SingletonHolder 不会被加载；只有首次调用 getInstance() 时，JVM 才触发其初始化
• 类初始化由 JVM 保证原子性与可见性，等价于隐式加了锁，但无用户态锁开销
• 不适用于需要传参初始化的场景（比如依赖注入容器管理的单例）

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

ThreadLocal 是线程级单例，不是全局单例

很多人误以为 ThreadLocal 是解决共享对象线程安全的“银弹”，其实它只是把共享问题转化成了每个线程持有一份副本——内存占用会上升，且生命周期管理容易出错。

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• ThreadLocal 适合保存线程上下文信息（如用户身份、事务ID），不适合缓存大对象或长期存活资源
• 在线程池场景下，线程复用会导致 ThreadLocal 值残留，必须显式调用 remove()，否则可能引发内存泄漏或数据污染
• 它和单例模式目标不同：一个是“每线程一个”，一个是“全局唯一”，混用会模糊设计意图

private static final ThreadLocal DATE_FORMAT =
    ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd"));