為什麼Java單例模式中需要加上volatile關鍵字？

前言：

單例模式的實作方法有很多種，如餓漢模式、懶漢模式、靜態內部類和列舉等，當面試官問到「為什麼單例模式一定要加volatile？」時，那麼他指的是為什麼懶漢模式中的私有變數要加volatile？

懶漢模式指的是對象的創建是懶加載的方式，並不是在程式啟動時就創建對象，而是第一次被真正使用時才創建對象。

要解釋為什麼要加 volatile？我們先來看懶漢模式的具體實作程式碼：

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;
    }
}

從上述程式碼可以看出，為了確保執行緒安全性和高效能，程式碼中使用了兩次if 和synchronized 來保證程式的執行。那既然已經有 synchronized 來確保線程安全了，為什麼還要給變數加上 volatile 呢？在解釋這個問題之前，我們要先搞懂一個前置知識：volatile 有什麼用呢？

1.volatile 作用

volatile 有兩個主要的作用，第一，解決記憶體可見性問題，第二，防止指令重排序。

1.1 記憶體可見性問題

所謂記憶體可見性問題，指的是多個執行緒同時操作一個變量，其中某個執行緒修改了變數的值之後，其他執行緒感知不到變數的修改，這就是記憶體可見性問題。  而使用volatile 就可以解決記憶體可見性問題，例如以下程式碼，當沒有加入volatile 時，它的實作如下：

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();
}

以上程式的執行結果如下： 

 然而，上述程式執行了N 久之後，依然沒有結束執行，這表示執行緒2 在修改了flag 變數之後，執行緒1 根本沒有感知到變數的修改。

那麼接下來，我們試著為flag 加上volatile，實作程式碼如下：

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 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();
    }
}

以上程式的執行結果如下： 

 從上述執行結果我們可以看出，使用volatile 之後就可以解決程式中的記憶體可見性問題了。

1.2 防止指令重排序

指令重排序是指在程式執行過程中，編譯器或 JVM 常常會對指令重新排序，已提高程式的執行效能。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。

所謂執行緒安全問題是指程式的執行結果，和我們的預期不符。例如我們預期的正確結果是 0，但程式的執行結果是 1，那麼這就是線程安全問題。

而使用 volatile 可以禁止指令重新排序，從而保證程式在多執行緒執行時能夠正確執行。

2.為什麼要用 volatile？

回到主題，我們在單例模式中使用 volatile，主要是使用 volatile 可以禁止指令重新排序，從而保證程式的正常運作。這裡可能會有讀者提出疑問，不是已經使用了 synchronized 來確保線程安全嗎？那為什麼還要再加 volatile 呢？看下面的程式碼：

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;
    }
}

注意觀察上述程式碼，我標記了第 ① 處和第 ② 處的兩行程式碼。將私有變數加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，這行程式碼看似只是一個創建物件的過程，然而它的實際執行卻分為以下3 步驟：

• 建立記憶體空間。

• 在記憶體空間中初始化物件 Singleton。

• 將記憶體位址賦值給 instance 物件（執行了此步驟，instance 就不等於 null 了）。

試想一下，如果不加volatile，那麼執行緒1 在執行到上述程式碼的第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。但特殊情況下，執行緒1 在執行完第3 步驟之後，如果來了執行緒2 執行到上述程式碼的第① 處，判斷instance 物件已經不為null，但此時執行緒1 還未將物件實例化完，那麼線程2 將會得到一個被實例化「一半」的對象，從而導致程式執行出錯，這就是為什麼要給私有變數添加volatile 的原因了。

以上是為什麼Java單例模式中需要加上volatile關鍵字？的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！