面试官考我，单例类中为什么要使用volatile关键字？我表示...😏

站长

2023年03月15日 20:59 · 阅读数 19

环境说明：Windows10 + Idea2021.3.2 + Jdk1.8 + SpringBoot 2.3.1.RELEASE

一、前言

有一期《【java笔试题】如何手写一个单例类？》一文中我们提到，由于volatile关键字它可以禁止指令重排序来保证一定的有序性，故而解决了多线程情况下双重检查模式单例空指针问题。

那你们知道为何多线程下双重检查模式会导致空指针异常吗？一开始我也没多想，但是这样的学习模式是不对的，道听途说不如自己亲手试验，检验出真知，于是我花了半个小时，终于搞清楚了！

二、双重检查模式

给大家再回顾一下懒汉单例之双重检查模式是如何手撕的，代码仅供参考。大家请看：

public class DoubleLazySingLeton {

    private static DoubleLazySingLeton instance;

    // 私有构造方法
    private DoubleLazySingLeton() {
        System.out.println("生成DoubleLazySingLeton实例一次！");
    }

    // 对外提供静态方法获取该对象
    public static DoubleLazySingLeton getInstance() {
        // 第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例.
        if (instance == null) {
            //instance未实例化的时候才加锁
            synchronized (DoubleLazySingLeton.class) {
                // 抢到锁之后再次判断是否为null
                if (instance == null) {
                    instance = new DoubleLazySingLeton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

看完如上单例代码实现，大佬都陷入了深思，比如我(大佬骂骂咧咧的说道：谁写的？打发要饭呢！写的啥玩意，重写)。

为什么反响会如此剧烈，有同学可能会说写的不是挺合理的嘛？不着急，接着往下看，我会告诉你为什么。

三、案例分析

我们在学习volatile关键字的时候，发现它可以禁止指令重排序从而保证执行有序性，等价于使用它就可以保证new DoubleLazySingLeton()创建对象实例化过程时的顺序不变。

具体volatile是如何保证的呢？这就得从volatile关键字的源码下手了，这节我们先不深究，重点是要理解new DoubleLazySingLeton()为何会出现不按顺序实例化的问题？而且为何要保证实例化的顺序性呢？这才是我们本文的重中之重，带着这两个问题我们接着往下看。

首先，我们都知道创建一个对象可以分为5步，对吧。

那5步呢？大家请看我画的示意图：

面试官考我，单例类中为什么要使用volatile关键字？我表示...😏

所以，你们可以思考一件事了，如下实例化有何问题？

instance = new DoubleLazySingLeton();

从表面上看，没有任何问题，但是结合双重检测模式来看，那就非常有问题了。

虽然单线程下的双重检测模式非常完美，但是在并发环境中就是bug般的存在。因为new DoubleLazySingLeton()实例化它并不是一个原子操作，我们看创建对象过程也可以得知。因此我们可以把这个实例化抽象成三条jvm指令：如下：

memory = allocate(); //1：分配对象的内存空间 
initInstance(memory); //2：初始化对象 
instance = memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址

上面操作2依赖于操作1，但是操作3并不依赖于操作2，所以jvm可以以“优化”为目的对它们进行重排序，经过重排序后顺序假设如下：

memory = allocate(); //1：分配对象的内存空间 
instance = memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址（此时对象还未初始化）
ctorInstance(memory); //2：初始化对象

可以看到指令重排之后，操作 3 排在了操作 2 之前，即引用instance指向内存memory时，这段内存还没被初始化。所以，你们发现什么问题了么？如果还没发现不着急，请接着往下看。

四、场景模拟

现在我们再来模拟个场景：存在两个线程：线程A与线程B，它两同时调用getSingleton()获取instance对象。

然后按如下时间段进行执行，请问大家，但线程执行完会发什么？

面试官考我，单例类中为什么要使用volatile关键字？我表示...😏

很明显，线程B会访问到一个还未完成初始化的"半"个instance对象。为什么？当线程A执行到T2时间后已经将instance指向了一块内存空间，此刻线程B调用getInstance(),执行到 if ( instance == null ) 语句时，instance == null结果肯定为false，因为instance已经被指定内存了不为null，然后直接执行return instance 语句结束，结果返回了一个没有完成初始化的“半个”单例。

也就是我一开始给大家说的指令重排之后，先执行了A3，再执行A2，这样本身没有问题，但如果遇到有其他线程碰巧在你指令重排后没实例化完成前调用getInstance()获取instance对象，这肯定会抛异常(如上示例)。最终的结果肯定是送你NullPointerException大礼包。

五、总结

所以对于双重检查模式下的单例而言，就会存在线程安全问题，怎么解决该线程安全，那就可以用volatile来保证。

顾解决线程安全的核心就是要保证instance对象顺序实例化，而volatile可以禁止指令重排序，这样尽管是多线程环境下，也不用担心instance实例化所带来的线程安全问题啦，这么讲，大家可得明白没有。

... ...

ok，以上就是我这期的全部内容啦，如果还想学习更多，你可以看看我的往期热文推荐哦，每天积累一个奇淫小知识，日积月累下去，你一定能成为令人敬仰的大佬。

「赠人玫瑰，手留余香」，咱们下期拜拜~~

文末💭

我是bug菌，一名想走👣出大山改变命运的程序猿。接下来的路还很长，都等待着我们去突破、去挑战。来吧，小伙伴们，我们一起加油！未来皆可期，fighting！

感谢认真读完我博客的铁子萌，在这里呢送给大家一句话，不管你是在职还是在读，绝对终身受用。时刻警醒自己:抱怨没有用，一切靠自己

想要过更好的生活，那就要逼着自己变的更强，生活加油。