為什么Java單例模式一定要加?volatile

更新時間：2022年05月27日 16:31:48 作者：??Java中文社群????

這篇文章主要介紹了為什么Java單例一定要加volatile，指的是為什么懶漢模式中的私有變量要加volatile?帶著疑問一起學習下面文章內容吧

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(zhí)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？

1.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。

1.1 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(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("設置 flag 變量的值為 true！");
            flag = true;
        }
    });
    t2.start();
}

以上程序的執(zhí)行結果如下：

然而，以上程序執(zhí)行了 N 久之后，依然沒有結束執(zhí)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(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("設置 flag 變量的值為 true！");
                flag = true;
            }
        });
        t2.start();
    }
}

以上程序的執(zhí)行結果如下：

從上述執(zhí)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。

1.2 防止指令重排序

指令重排序是指在程序執(zhí)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(zhí)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(fā)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(zhí)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(zhí)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(zhí)行。

2.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(zhí)行時，也就是“instance = new Singleton()”執(zhí)行時的指令重排序的，這行代碼看似只是一個創(chuàng)建對象的過程，然而它的實際執(zhí)行卻分為以下 3 步：

創(chuàng)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(zhí)行了此步驟，instance 就不等于 null 了）。

試想一下，如果不加 volatile，那么線程 1 在執(zhí)行到上述代碼的第 ② 處時就可能會執(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，線程 1 在執(zhí)行完第 3 步之后，如果來了線程 2 執(zhí)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(zhí)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(zhí)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(zhí)行出錯的情況。

到此這篇關于為什么Java單例一定要加 volatile的文章就介紹到這了,更多相關Java單例內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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