单例模式为什么要用Volatile关键字

灰太狼 2024-04-18 20:07 74阅读 0赞

线程安全的单例模式常见写法是双重检查加锁。代码如下：

class Singleton{
    
        private volatile static Singleton singleton;
    
        private Singleton(){}       
    
        public static Singleton getInstance(){       
    
            if(singleton == null){                  // 1
    
                synchronized(Singleton.class){      // 2
    
                    if(singleton == null){          // 3
    
                        singleton = new Singleton(); // 4
    
                    }
    
                }
    
            } 
    
            return singleton;           
    
        }
    
    }

双重检查加锁的单例模式代码上就比较复杂，尤其体现在`getInstance`方法上，包括两次检查`singleton`是否是`null`，一次加锁，`singleton`用关键字`volatile`修饰。为什么写一个单例如此复杂呢？

首先是懒汉模式，实例的初始化延迟到`getInstance`方法中，为了保证只会生成一个实例，要先判断`singleton`是否已经初始化，如果已经初始化了，就返回`singleton`，没有的话就创建对象。这就是1的作用。如果是单线程的情况，这样就够用了。

在多线程的情况下，只有1，没有2，3，就可能导致创建多个实例。例如，线程A和线程B调用`getInstance`方法，线程A先判断了1，然后时间片结束了，切换到线程B，线程B判断1，然后创建了singleton。时间片有切会线程A，线程A创建实例。这样就线程A和线程B就分别创建了一个实例了。破坏了单例的结构。

为了解决这个问题，加了`synchronized`保证只有一个线程进入临界区。那只有2，没有3，可以吗？还是考虑和前面一模一样的场景，这次线程A和线程B都判断了1了，进入2，线程A先进入临界区，线程B发现线程A进入了临界区，就挂在了`Singleton.class`等等待队列中，等待线程A执行完成。线程A继续执行，创建了一个`singleton`实例。退出了临界区。然后线程B被唤醒，进入临界区，又创建了一个`singleton`实例。结果又创建了两个`singleton`实例。

所以3的作用很明显了。在上面例子中，如果线程B发现实例已经被创建了(`singleton`不等于`null`)，就直接退出临界区了。那1和3的作用似乎有点重合了，1似乎就不是必须了。2，3确实就足够保证单例了。但是加锁是比较消耗资源的，1就是为了减少资源的消耗。

最后，这么看来1，2，3，4就足以保证单例了。那为什么需要加volatile呢？volatile就牵扯到指令重排序的问题了。

要理解为什么要加volatile，首先要理解`new Singleton()`做了什么。new一个对象有几个步骤。1.看class对象是否加载，如果没有就先加载class对象，2.分配内存空间，初始化实例，3.调用构造函数，4.返回地址给引用。而cpu为了优化程序，可能会进行指令重排序，打乱这3，4这几个步骤，导致实例内存还没分配，就被使用了。

再用线程A和线程B举例。线程A执行到`new Singleton()`，开始初始化实例对象，由于存在指令重排序，这次new操作，先把引用赋值了，还没有执行构造函数。这时时间片结束了，切换到线程B执行，线程B调用`new Singleton()`方法，发现引用不等于`null`，就直接返回引用地址了，然后线程B执行了一些操作，就可能导致线程B使用了还没有被初始化的变量。

加了volatile之后，就保证`new` 不会被指令重排序。

至此，这就是一个完整的懒汉模式—>线程安全的->双重检查加锁单例模式。

推荐另一种单例模式的写法：

class Singleton{
        private Singleton(){}
        
        private static class LazySomethineHolder{
            public static Singleton singleton = new Singleton();
        }
    
        public static Singleton getInstance(){
            return LazySomethineHolder.singleton;
        }
    }

文章来源：[https://www.jianshu.com/p/35e4504d42e4][https_www.jianshu.com_p_35e4504d42e4]

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