面試突擊51：為什麼單例一定要加 volatile？
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？
懶漢模式指的是物件的建立是懶載入的方式，並不是在程式啟動時就建立物件，而是第一次被真正使用時才建立物件。
要解釋為什麼要加 volatile？我們先來看懶漢模式的具體實現程式碼：
public class Singleton {
// 1.防止外部直接 new 物件破壞單例模式
private Singleton() {}
// 2.通過私有變數儲存單例物件【新增了 volatile 修飾】
private static volatile Singleton instance = null;
// 3.提供公共獲取單例物件的方法
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;
}
}
從上述程式碼可以看出，為了保證執行緒安全和高效能，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 來保證執行緒安全了，為什麼還要給變數加 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數，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，比如以下程式碼，當沒有新增 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 變數為 true 就終止執行
while (!flag) {
}
System.out.println("終止執行");
}
});
t1.start();
// 1s 之後將 flag 變數的值修改為 true
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("設定 flag 變數的值為 true！");
flag = true;
}
});
t2.start();
}
以上程式的執行結果如下：
然而，以上程式執行了 N 久之後，依然沒有結束執行，這說明執行緒 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，我們嘗試給 flag 加上 volatile，實現程式碼如下：
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 變數為 true 就終止執行
while (!flag) {
}
System.out.println("終止執行");
}
});
t1.start();
// 1s 之後將 flag 變數的值修改為 true
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("設定 flag 變數的值為 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 常常會對指令進行重新排序，已提高程式的執行效能。
指令重排序的設計初衷確實很好，在單執行緒中也能發揮很棒的作用，然而在多執行緒中，使用指令重排序就可能會導致執行緒安全問題了。
所謂執行緒安全問題是指程式的執行結果，和我們的預期不相符。比如我們預期的正確結果是 0，但程式的執行結果卻是 1，那麼這就是執行緒安全問題。
而使用 volatile 可以禁止指令重排序，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 可以禁止指令重排序，從而保證程式的正常執行。這裡可能會有讀者提出疑問，不是已經使用了 synchronized 來保證執行緒安全嗎？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。給私有變數加 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建立物件的過程，然而它的實際執行卻分為以下 3 步：
- 建立記憶體空間。
- 在記憶體空間中初始化物件 Singleton。
- 將記憶體地址賦值給 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。但是特殊情況下，執行緒 1 在執行完第 3 步之後，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 還未將物件範例化完，那麼執行緒 2 將會得到一個被範例化「一半」的物件，從而導致程式執行出錯，這就是為什麼要給私有變數新增 volatile 的原因了。
總結
使用 volatile 可以解決記憶體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 的後一個特性（防止指令重排序），從而避免多執行緒執行的情況下，因為指令重排序而導致某些執行緒得到一個未被完全範例化的物件，從而導致程式執行出錯的情況。
是非審之於己，譭譽聽之於人，得失安之於數。
公眾號：Java面試真題解析
