作者 | 磊哥

來(lái)源 | Java面試真題解析(ID：aimianshi666)

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單例模式的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，如餓漢模式、懶漢模式、靜態(tài)內(nèi)部類(lèi)和枚舉等，當(dāng)面試官問(wèn)到“為什么單例模式一定要加 volatile?”時(shí)，那么他指的是為什么懶漢模式中的私有變量要加 volatile?

懶漢模式指的是對(duì)象的創(chuàng)建是懶加載的方式，并不是在程序啟動(dòng)時(shí)就創(chuàng)建對(duì)象，而是第一次被真正使用時(shí)才創(chuàng)建對(duì)象。

要解釋為什么要加 volatile?我們先來(lái)看懶漢模式的具體實(shí)現(xiàn)代碼：

public class Singleton {
    // 1.防止外部直接 new 對(duì)象破壞單例模式
    private Singleton() {}
    // 2.通過(guò)私有變量保存單例對(duì)象【添加了 volatile 修飾】
    private static volatile Singleton instance = null;
    // 3.提供公共獲取單例對(duì)象的方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第 1 次效驗(yàn)
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { // 第 2 次效驗(yàn)
                    instance = new Singleton(); 
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

從上述代碼可以看出，為了保證線(xiàn)程安全和高性能，代碼中使用了兩次 if 和 synchronized 來(lái)保證程序的執(zhí)行。那既然已經(jīng)有 synchronized 來(lái)保證線(xiàn)程安全了，為什么還要給變量加 volatile 呢?在解釋這個(gè)問(wèn)題之前，我們先要搞懂一個(gè)前置知識(shí)：volatile 有什么用呢?

一、volatile 作用

volatile 有兩個(gè)主要的作用，第一，解決內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，第二，防止指令重排序。

1、 內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題

所謂內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，指的是多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)操作一個(gè)變量，其中某個(gè)線(xiàn)程修改了變量的值之后，其他線(xiàn)程感知不到變量的修改，這就是內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。而使用 volatile 就可以解決內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，比如以下代碼，當(dāng)沒(méi)有添加 volatile 時(shí)，它的實(shí)現(xiàn)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 變量為 true 就終止執(zhí)行
            while (!flag) {

            }
            System.out.println("終止執(zhí)行");
        }
    });
    t1.start();
    // 1s 之后將 flag 變量的值修改為 true
    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("設(shè)置 flag 變量的值為 true！");
            flag = true;
        }
    });
    t2.start();
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下：

然而，以上程序執(zhí)行了 N 久之后，依然沒(méi)有結(jié)束執(zhí)行，這說(shuō)明線(xiàn)程 2 在修改了 flag 變量之后，線(xiàn)程 1 根本沒(méi)有感知到變量的修改。那么接下來(lái)，我們嘗試給 flag 加上 volatile，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

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 變量為 true 就終止執(zhí)行
                while (!flag) {

                }
                System.out.println("終止執(zhí)行");
            }
        });
        t1.start();
        // 1s 之后將 flag 變量的值修改為 true
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("設(shè)置 flag 變量的值為 true！");
                flag = true;
            }
        });
        t2.start();
    }
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下： 從上述執(zhí)行結(jié)果我們可以看出，使用 volatile 之后就可以解決程序中的內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題了。

2、防止指令重排序

指令重排序是指在程序執(zhí)行過(guò)程中，編譯器或 JVM 常常會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重新排序，已提高程序的執(zhí)行性能。指令重排序的設(shè)計(jì)初衷確實(shí)很好，在單線(xiàn)程中也能發(fā)揮很棒的作用，然而在多線(xiàn)程中，使用指令重排序就可能會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)程安全問(wèn)題了。

所謂線(xiàn)程安全問(wèn)題是指程序的執(zhí)行結(jié)果，和我們的預(yù)期不相符。比如我們預(yù)期的正確結(jié)果是 0，但程序的執(zhí)行結(jié)果卻是 1，那么這就是線(xiàn)程安全問(wèn)題。

而使用 volatile 可以禁止指令重排序，從而保證程序在多線(xiàn)程運(yùn)行時(shí)能夠正確執(zhí)行。

二、為什么要用 volatile?

回到主題，我們?cè)趩卫Ｊ街惺褂?volatile，主要是使用 volatile 可以禁止指令重排序，從而保證程序的正常運(yùn)行。這里可能會(huì)有讀者提出疑問(wèn)，不是已經(jīng)使用了 synchronized 來(lái)保證線(xiàn)程安全嗎?那為什么還要再加 volatile 呢?看下面的代碼：

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;
    }
}

注意觀察上述代碼，我標(biāo)記了第 ① 處和第 ② 處的兩行代碼。給私有變量加 volatile 主要是為了防止第 ② 處執(zhí)行時(shí)，也就是“instance = new Singleton()”執(zhí)行時(shí)的指令重排序的，這行代碼看似只是一個(gè)創(chuàng)建對(duì)象的過(guò)程，然而它的實(shí)際執(zhí)行卻分為以下 3 步：

1. 創(chuàng)建內(nèi)存空間。
2. 在內(nèi)存空間中初始化對(duì)象 Singleton。
3. 將內(nèi)存地址賦值給 instance 對(duì)象(執(zhí)行了此步驟，instance 就不等于 null 了)。

試想一下，如果不加 volatile，那么線(xiàn)程 1 在執(zhí)行到上述代碼的第 ② 處時(shí)就可能會(huì)執(zhí)行指令重排序，將原本是 1、2、3 的執(zhí)行順序，重排為 1、3、2。但是特殊情況下，線(xiàn)程 1 在執(zhí)行完第 3 步之后，如果來(lái)了線(xiàn)程 2 執(zhí)行到上述代碼的第 ① 處，判斷 instance 對(duì)象已經(jīng)不為 null，但此時(shí)線(xiàn)程 1 還未將對(duì)象實(shí)例化完，那么線(xiàn)程 2 將會(huì)得到一個(gè)被實(shí)例化“一半”的對(duì)象，從而導(dǎo)致程序執(zhí)行出錯(cuò)，這就是為什么要給私有變量添加 volatile 的原因了。

總結(jié)

使用 volatile 可以解決內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題和防止指令重排序，我們?cè)趩卫Ｊ街惺褂?volatile 主要是使用 volatile 的后一個(gè)特性(防止指令重排序)，從而避免多線(xiàn)程執(zhí)行的情況下，因?yàn)橹噶钪嘏判蚨鴮?dǎo)致某些線(xiàn)程得到一個(gè)未被完全實(shí)例化的對(duì)象，從而導(dǎo)致程序執(zhí)行出錯(cuò)的情況。