面試突擊：為什么單例一定要加 Volatile？
作者 | 磊哥
來源 | Java面試真題解析(ID：aimianshi666)
轉載請聯系授權(微信ID：GG_Stone)
單例模式的實現方法有很多種，如餓漢模式、懶漢模式、靜態內部類和枚舉等，當面試官問到“為什么單例模式一定要加 volatile?”時，那么他指的是為什么懶漢模式中的私有變量要加 volatile?
懶漢模式指的是對象的創建是懶加載的方式，并不是在程序啟動時就創建對象，而是第一次被真正使用時才創建對象。
要解釋為什么要加 volatile?我們先來看懶漢模式的具體實現代碼：
public class Singleton {
// 1.防止外部直接 new 對象破壞單例模式
private Singleton() {}
// 2.通過私有變量保存單例對象【添加了 volatile 修飾】
private static volatile Singleton instance = null;
// 3.提供公共獲取單例對象的方法
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { // 第 1 次效驗
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) { // 第 2 次效驗
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
從上述代碼可以看出，為了保證線程安全和高性能，代碼中使用了兩次 if 和 synchronized 來保證程序的執行。那既然已經有 synchronized 來保證線程安全了，為什么還要給變量加 volatile 呢?在解釋這個問題之前，我們先要搞懂一個前置知識：volatile 有什么用呢?
一、volatile 作用
volatile 有兩個主要的作用，第一，解決內存可見性問題，第二，防止指令重排序。
1、 內存可見性問題
所謂內存可見性問題，指的是多個線程同時操作一個變量，其中某個線程修改了變量的值之后，其他線程感知不到變量的修改，這就是內存可見性問題。而使用 volatile 就可以解決內存可見性問題，比如以下代碼，當沒有添加 volatile 時，它的實現如下：
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 就終止執行
while (!flag) {
}
System.out.println("終止執行");
}
});
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("設置 flag 變量的值為 true！");
flag = true;
}
});
t2.start();
}
以上程序的執行結果如下：
然而，以上程序執行了 N 久之后，依然沒有結束執行，這說明線程 2 在修改了 flag 變量之后，線程 1 根本沒有感知到變量的修改。那么接下來，我們嘗試給 flag 加上 volatile，實現代碼如下：
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 就終止執行
while (!flag) {
}
System.out.println("終止執行");
}
});
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("設置 flag 變量的值為 true！");
flag = true;
}
});
t2.start();
}
}
以上程序的執行結果如下：
從上述執行結果我們可以看出，使用 volatile 之后就可以解決程序中的內存可見性問題了。
2、防止指令重排序
指令重排序是指在程序執行過程中，編譯器或 JVM 常常會對指令進行重新排序，已提高程序的執行性能。指令重排序的設計初衷確實很好，在單線程中也能發揮很棒的作用，然而在多線程中，使用指令重排序就可能會導致線程安全問題了。
所謂線程安全問題是指程序的執行結果，和我們的預期不相符。比如我們預期的正確結果是 0，但程序的執行結果卻是 1，那么這就是線程安全問題。
而使用 volatile 可以禁止指令重排序，從而保證程序在多線程運行時能夠正確執行。
二、為什么要用 volatile?
回到主題，我們在單例模式中使用 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行。這里可能會有讀者提出疑問，不是已經使用了 synchronized 來保證線程安全嗎?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 處執行時，也就是“instance = new Singleton()”執行時的指令重排序的，這行代碼看似只是一個創建對象的過程，然而它的實際執行卻分為以下 3 步：
- 創建內存空間。
- 在內存空間中初始化對象 Singleton。
- 將內存地址賦值給 instance 對象(執行了此步驟，instance 就不等于 null 了)。
試想一下，如果不加 volatile，那么線程 1 在執行到上述代碼的第 ② 處時就可能會執行指令重排序，將原本是 1、2、3 的執行順序，重排為 1、3、2。但是特殊情況下，線程 1 在執行完第 3 步之后，如果來了線程 2 執行到上述代碼的第 ① 處，判斷 instance 對象已經不為 null，但此時線程 1 還未將對象實例化完，那么線程 2 將會得到一個被實例化“一半”的對象，從而導致程序執行出錯，這就是為什么要給私有變量添加 volatile 的原因了。
總結
使用 volatile 可以解決內存可見性問題和防止指令重排序，我們在單例模式中使用 volatile 主要是使用 volatile 的后一個特性(防止指令重排序)，從而避免多線程執行的情況下，因為指令重排序而導致某些線程得到一個未被完全實例化的對象，從而導致程序執行出錯的情況。
