为什么Java单例模式一定要加 volatile

2024-04-02 19:55

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public class Singleton {
    // 1.防止外部直接 new 对象破坏单例模式
    private Singleton() {}
    // 2.通过私有变量保存单例对象【添加了 volatile 修饰】
    private static volatile Singleton instance = null;
    // 3.提供公共获取单例对象的方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第 1 次效验
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { // 第 2 次效验
                    instance = new Singleton(); 
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

从上述代码可以看出，为了保证线程安全和高性能，代码中使用了两次 if 和 synchronized 来保证程序的执行。那既然已经有 synchronized 来保证线程安全了，为什么还要给变量加 volatile 呢？在解释这个问题之前，我们先要搞懂一个前置知识：volatile 有什么用呢？

1.volatile 作用

volatile 有两个主要的作用，第一，解决内存可见性问题，第二，防止指令重排序。

1.1 内存可见性问题

所谓内存可见性问题，指的是多个线程同时操作一个变量，其中某个线程修改了变量的值之后，其他线程感知不到变量的修改，这就是内存可见性问题。 而使用 volatile 就可以解决内存可见性问题，比如以下代码，当没有添加 volatile 时，

它的实现如下：

private static boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            // 如果 flag 变量为 true 就终止执行
            while (!flag) {

            }
            System.out.println("终止执行");
        }
    });
    t1.start();
    // 1s 之后将 flag 变量的值修改为 true
    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("设置 flag 变量的值为 true！");
            flag = true;
        }
    });
    t2.start();
}

以上程序的执行结果如下：

然而，以上程序执行了 N 久之后，依然没有结束执行，这说明线程 2 在修改了 flag 变量之后，线程 1 根本没有感知到变量的修改。

那么接下来，我们尝试给 flag 加上 volatile，实现代码如下：

public class volatileTest {
    private static volatile boolean flag = false;
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 如果 flag 变量为 true 就终止执行
                while (!flag) {

                }
                System.out.println("终止执行");
            }
        });
        t1.start();
        // 1s 之后将 flag 变量的值修改为 true
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("设置 flag 变量的值为 true！");
                flag = true;
            }
        });
        t2.start();
    }
}

以上程序的执行结果如下：

从上述执行结果我们可以看出，使用 volatile 之后就可以解决程序中的内存可见性问题了。

1.2 防止指令重排序

指令重排序是指在程序执行过程中，编译器或 JVM 常常会对指令进行重新排序，已提高程序的执行性能。指令重排序的设计初衷确实很好，在单线程中也能发挥很棒的作用，然而在多线程中，使用指令重排序就可能会导致线程安全问题了。

所谓线程安全问题是指程序的执行结果，和我们的预期不相符。比如我们预期的正确结果是 0，但程序的执行结果却是 1，那么这就是线程安全问题。

而使用 volatile 可以禁止指令重排序，从而保证程序在多线程运行时能够正确执行。

2.为什么要用 volatile？

回到主题，我们在单例模式中使用 volatile，主要是使用 volatile 可以禁止指令重排序，从而保证程序的正常运行。这里可能会有读者提出疑问，不是已经使用了 synchronized 来保证线程安全吗？那为什么还要再加 volatile 呢？

看下面的代码：

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    // 使用 volatile 禁止指令重排序
    private static volatile Singleton instance = null;
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // ①
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // ②
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

注意观察上述代码，我标记了第 ① 处和第 ② 处的两行代码。给私有变量加 volatile 主要是为了防止第 ② 处执行时，也就是“instance = new Singleton()”执行时的指令重排序的，这行代码看似只是一个创建对象的过程，然而它的实际执行却分为以下 3 步：

创建内存空间。
在内存空间中初始化对象 Singleton。
将内存地址赋值给 instance 对象（执行了此步骤，instance 就不等于 null 了）。

试想一下，如果不加 volatile，那么线程 1 在执行到上述代码的第 ② 处时就可能会执行指令重排序，将原本是 1、2、3 的执行顺序，重排为 1、3、2。但是特殊情况下，线程 1 在执行完第 3 步之后，如果来了线程 2 执行到上述代码的第 ① 处，判断 instance 对象已经不为 null，但此时线程 1 还未将对象实例化完，那么线程 2 将会得到一个被实例化“一半”的对象，从而导致程序执行出错，这就是为什么要给私有变量添加 volatile 的原因了。