为什么Java单例模式一定要加 volatile

2022-11-13 09:11:20 java volatile 模式

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。

总结

使用 volatile 可以解决内存可见性问题和防止指令重排序，我们在单例模式中使用 volatile 主要是使用 volatile 的后一个特性（防止指令重排序），从而避免多线程执行的情况下，因为指令重排序而导致某些线程得到一个未被完全实例化的对象，从而导致程序执行出错的情况。

到此这篇关于为什么Java单例一定要加 volatile的文章就介绍到这了,更多相关Java单例内容请搜索以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持！

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目录

1.volatile 作用

1.1 内存可见性问题

1.2 防止指令重排序

2.为什么要用 volatile？

总结