volatile关键字在单例模式(双重校验锁)中的作用

Java单例模式的几种写法，其中懒汉式和双重校验锁方式写法如下：

懒汉式

public class Singleton {  
  private static Singleton instance;  

  private Singleton (){}  

  public static synchronized Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
      instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
  }  
}

这种方式实现的单例：实现了lazy loading 使用时才创建实例。synchronized保证了线程安全，但效率低。

双重校验锁

public class Singleton {
  private static volatile Singleton singleton;

  private Singleton() {}

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

执行过程

双重校验锁方式的执行过程如下：

1.线程A进入 getInstance() 方法。

2.由于 singleton为 null，线程A在 //1 处进入 synchronized 块。

3.线程A被线程B预占。

4.线程B进入 getInstance() 方法。

5.由于 singleton仍旧为 null，线程B试图获取 //1 处的锁。然而，由于线程A已经持有该锁，线程B在 //1 处阻塞。

6.线程B被线程A预占。

7.线程A执行，由于在 //2 处实例仍旧为null，线程A还创建一个 Singleton 对象并将其引用赋值给 instance。

8.线程A退出 synchronized 块并从 getInstance() 方法返回实例。

9.线程A被线程B预占。

10.线程B获取 //1 处的锁并检查 instance 是否为 null。

11.由于 singleton是非 null的，并没有创建第二个 Singleton 对象，由线程A所创建的对象被返回。

问题

双重检查锁定背后的理论是完美的。不幸地是，现实完全不同。双重检查锁定的问题是：并不能保证它会在单处理器或多处理器计算机上顺利运行。

双重检查锁定失败的问题并不归咎于 JVM 中的实现 bug，而是归咎于 Java 平台内存模型。内存模型允许所谓的“无序写入”，这也是这些习语失败的一个主要原因。

singleton = new Singleton();

该语句非原子操作，实际是三个步骤。

1.给singleton分配内存；
2.调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量；
3.将给singleton对象指向分配的内存空间（此时singleton才不为null）；

虚拟机的指令重排序

执行命令时虚拟机可能会对以上3个步骤交换位置 最后可能是132这种 分配内存并修改指针后未初始化 多线程获取时可能会出现问题。

当线程A进入同步方法执行singleton = new Singleton();代码时，恰好这三个步骤重排序后为1 3 2，

第一个线程初始化对象到一半，第二个线程来发现已经不是null了就直接返回了，实际上该对象此时还没有完全初始化，可能会出现这个问题。

那么步骤3执行后singleton已经不为null,但是未执行步骤2，singleton对象初始化不完全，此时线程B执行getInstance()方法，第一步判断时singleton不为null,则直接将未完全初始化的singleton对象返回了。

解决

如果一个字段被声明成volatile，Java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的，同时还会禁止指令重排序

所以使用volatile关键字会禁止指令重排序,可以避免这种问题。使用volatile关键字后使得 singleton = new Singleton();语句一定会按照上面拆分的步骤123来执行。

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