为什么双重效验锁要加 volatile？

2023-06-01
陕西
本文字数：2818 字
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单例模式的实现方法有很多种，如饿汉模式、懒汉模式、静态内部类和枚举等，当面试官问到“为什么双重效验锁要加 volatile？”时，那么他指的是为什么懒汉模式中的私有变量要加 volatile？

懒汉模式指的是对象的创建是懒加载的方式，并不是在程序启动时就创建对象，而是第一次被真正使用时才创建对象。

要解释为什么要加 volatile？我们先来看懒汉模式的具体实现代码：

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;    }}

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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();}

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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();    }}

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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;    }}

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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。

小结

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。

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1.1 内存可见性问题

1.2 防止指令重排序

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