Double-Check中的volatile作用

看似完美的单例模式？

public class Single {
    private static Single3 instance;
    private Single() {}
    public static Single getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Single.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Single3();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

第一个if (instance == null)，其实是为了解决效率问题，只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段——大大减少了几率。
第二个if (instance == null)，则是为了防止可能出现多个实例的情况。

那么还会有问题吗？

答：只是『看起来』，还是有小概率出现问题的。

原子操作

原子操作（atomic）就是不可分割的操作，在计算机中，就是指不会因为线程调度被打断的操作。

例子：

m = 6; // 这是个原子操作

假如m原先的值为0，那么对于这个操作，要么执行成功m变成了6，要么是没执行m还是0，而不会出现诸如m=3这种中间态——即使是在并发的线程中。

而，声明并赋值就不是一个原子操作：

int n = 6; // 这不是一个原子操作

对于这个语句，至少有两个操作：
① 明一个变量n
② 给n赋值为6
——这样就会有一个中间状态：变量n已经被声明了但是还没有被赋值的状态。
——这样，在多线程中，由于线程执行顺序的不确定性，如果两个线程都使用m，就可能会导致不稳定的结果出现。

指令重排

概念

简单来说，就是计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。

例子：

int a ;   // 语句1 
a = 8 ;   // 语句2
int b = 9 ;     // 语句3
int c = a + b ; // 语句4

正常来说，对于顺序结构，执行的顺序是自上到下，也即1234。
但是，由于指令重排的原因，因为不影响最终的结果，所以，实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。
由于语句3和4没有原子性的问题，语句3和语句4也可能会拆分成原子操作，再重排。
——也就是说，

对于非原子性的操作，在不影响最终结果的情况下，其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。

回到话题

主要在于singleton = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情：

给 singleton 分配内存
调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了）

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

错误根源：

再稍微解释一下，就是说，由于有一个『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance == null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。这里的关键在于——线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。

完全版

public class Single {
    private static volatile Single4 instance;
    private Single() {}
    public static Single getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Single.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Single();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

volatile发挥的作用

volatile关键字的一个作用是禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障（什么是内存屏障？），这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。

注意：volatile阻止的不是singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。