Java中的volatile在使用雙層檢查實現單例模式的解讀

 

1.前言

因為今天在想到這個問題的時候腦子不是很清楚，就想查一下網上的資料，結果發現一個個寫的囫圇吞棗。后來突然想起來了，於是打算記錄下來。

注意此種方法只針對JDK1.5及以上，之前好像是volatile的關鍵字設計有問題？

2.雙層檢查實現單例模式的由來

最開始只有一層檢查，

【失敗的設計】

public  Resource getResource() {

  if  (resource ==  null ) { 

     resource =  new  Resource(); 

  }

  return  resource;

}

大家應該都可以看出，在多線程情況下，會出現多個new Resource()的動作

 

這時，有人就提出了一個解決方案

【成功但是糟糕的設計】

public synchronized  Resource getResource() {

  if  (resource ==  null ) { 

     resource =  new  Resource(); 

  }

  return  resource;

}

可以看到，他給getResource方法加上了synchronized關鍵字，這足以保證只有一個線程會執行new Resource操作。

這個設計可以滿足需求，但是有一個不太好的地方就是每次執行getResource方法的時候都會有加鎖去鎖的開銷，而這中加鎖只有在初始化前才是必須的。

 

所以有有人說，那可不可以這樣： ¹

public  Resource getResource() {

  if (resource == null ) { 

   synchronized ( this ){ 

    if (resource== null ) {

     resource = new Resource(); 

    }  

   } 

  }

  return resource;

}

稍作解釋，他的想法是進行兩次判斷，如果第一次判斷不為null，也就是resource已經初始化，那么久不會進去執行加鎖去鎖的操作了。

但這個方案可不可能需要看resource有沒有加volatile關鍵字。

如果加了volatile關鍵字，這個方法是有效的。如果沒有，這個方法是有一定多線程風險的。

現在進入本文的重點，此處為什么不加volatile有風險。

首先聲明：

此處利用了volatile的一個關鍵字特性：防止局部指令重排序

簡單的概括就是，

volatile禁止指令重排序的一些規則：²
　　1.當第二個操作是voaltile寫時，無論第一個操作是什么，都不能進行重排序
　　2.當第一個操作是volatile讀時，不管第二個操作是什么，都不能進行重排序
　　3.當第一個操作是volatile寫時，第二個操作是volatile讀時，不能進行重排序

下面來看new Resource()這個操作，

它可以分解成三個操作，

【偽代碼】³

1.memory = allocate()

2.createInstance(memory)

3.resource = memory

其中1,2指令有數據依賴，所以不會被重排序。而2,3指令沒有數據依賴，如果沒有volatile關鍵字，可能會被重排序。

那么假如2，3執行順序進行了調換。

那么就有可能發生，假設A,B線程都即將執行getResource操作，目前在A線程，

首先A線程第一次判斷resource是否為null，結果為null，那么加鎖進入執行創建對象的這三步。

假設執行了上述的1，3后，發生了調度，B開始執行。

此時它面臨的狀態是，判斷resource是否為null，結果不為null.因為剛才A執行了3已經給resource賦值了。

那么B會認為resource已經初始化完成，它可能要對這個對象進行一些操作，但是事實上A還沒有執行2操作，resource對象還沒有初始化完成。

這樣運行下去可能會產生異常，風險由此產生。

不過加了volatile后，在執行對resource寫之前，volatile關鍵字保證了1，2，3操作不會重排序(需要考證)，這樣就保證了resource要么為null，要么就是一個完整的resource對象。

順便補充一下,加了volatile之后，即使在執行1,2,3的時候發生了調度，因為鎖在A線程手里，所以B線程沒有辦法拿到鎖進行初始化。所以即使調度時候resource為null，也不會發生多次初始化的情形。

 

如果需要對volatile有更多的了解，

可以訪問官方Java Language Specification

關於volatile: http://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-8.html#d5e12277

關於Java內存模型： http://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-17.html#jls-17.4

參考文檔：

1.http://www.jb51.net/article/80201.htm

2.https://blog.csdn.net/hqq2023623/article/details/51013468

3.http://blog.csdn.net/xiakepan/article/details/52444565