单例模式为什么要用Volatile关键字

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;
    }
}

作者:王李荣
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来源:简书
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评论:

1.volatile这里应该是保证可见性,T1,T2线程同时走到步骤1,会将singleton拷贝到各自的工作内存,假设t1先拿到锁,实例化,释放锁;然后t2拿到锁,走到步骤2,由于t2工作内存中的singleton=null,所以也会实例化对象

2.赋值之后会有内存同步的

3.synchronized 只保证获取锁的现场可以执行代码。

4.你好,关于加volatile那块还是不太明白。就算语句4是分为4步操作,有可能会重排序。我理解还是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。以上4步得执行完毕,线程A才会让出时间片给线程B不是吗?

5.不是的,创建对象和赋值是一个组合操作,不具有原子性。因此可能发生的指令顺序是:申请内存,将堆内存首地址赋值给强引对象。如果此时B线程访问getInstance(),那么在第一层判断时,instance就非null,然而此时对象的构造函数还没执行完,对象就是不完整的,B线程在使用时就会报错