用 volatile 和 synchronized 实现单例

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编译：ImportNew/唐尤华

dzone.com/articles/demystifying-volatile-and-synchronized-again

现在，关于 `volatile` 和 `synchronized` 的用法仍然有很多争议。`volatile` 并不是什么新技术，然而理解它对于每个专业 Java 开发者来说很重要。另外，关于这个主题我没有找到好的总结文章和示例，促使我写下本文。

简单地说，`volatile` 关键字标记的变量具备"可见性"，无论是读操作还是写操作都会强制刷新到主内存，确保多个线程可以看到变量修改后的值。另一方面，`synchronized` 也提供了**可见性**，通过添加互斥锁让所有受到加锁保护的代码与主内存同步。这样可以防止某个线程读取时其他线程正在更新该对象，造成读到的状态与实际不一致。

单例实现：使用 volatile Bean 模式

让我们通过一个延迟加载单例来帮助理解。示例采用双重检查锁定并实现了“volatile bean 模式”，代码如下：

> 译注：双重检查锁定模式（也被称为"双重检查加锁优化"，"锁暗示"（Lock hint）) 是一种软件设计模式用来减少并发系统中竞争和同步的开销。双重检查锁定模式首先验证锁定条件(第一次检查)，只有通过锁定条件验证才真正的进行加锁逻辑并再次验证条件(第二次检查)。-- WikiPedia

```java
public class MutableSingleton {
    private static volatile MutableSingleton INSTANCE;
    private static final Object mutex = new Object();
    private volatile boolean someFlag;
    // 这个单例包含更多可变状态

    private MutableSingleton(boolean someFlag) {
        this.someFlag = someFlag;
    }

    public static MutableSingleton getInstance() {
        MutableSingleton singleton = INSTANCE;
        if (singleton != null)
            return singleton;
        synchronized (mutex) {
            if (INSTANCE == null)
                INSTANCE = new MutableSingleton(false);
            return INSTANCE;
        }
    }

    public boolean isSomeFlag() {
        return someFlag;
    }

    public void setSomeFlag(boolean someFlag) {
        this.someFlag = someFlag;
    }
}
```

上面是一个可变的多线程单例实现，其中`INSTANCE` 和 `someFlag` 变量都标记为 `volatile`，但后者没有包含在 `synchronized` 代码块中。对单例进行的修改会立刻被其他线程看到（即可见性）。下面是测试用例：

```java
public class MutableSingletonTest {
    private long counter = 0;
    public Object[] execute(Object... arguments) {
        final Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            public void run() {
                MutableSingleton.getInstance().setSomeFlag(true);
                System.out.println("Timer interrupted main thread ...");
                timer.cancel();
            }
        }, 1000);
        while (!MutableSingleton.getInstance().isSomeFlag()) {
            counter++;
        };
        System.out.println("Main thread was interrupted by timer ...");
        return new Object[] { counter, MutableSingleton.getInstance().isSomeFlag() };
    }
    private class Worker implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            Object[] result = execute();
            System.out.println(result[0]+"/"+result[1]);
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MutableSingletonTest volatileExample = new MutableSingletonTest();
        Thread thread1 = new Thread(volatileExample.new Worker(), "Worker-1");
        thread1.start();
        Thread.sleep(5000);
    }
}
```

让我们快速了解整个程序。首先，`main()` 方法（第29行）创建了 `thread1`，在线程里执行 `execute()` 方法（第24行）。`execute()` （第5行）会新建 TimerThread（第7行）调度执行。接着，`thread1` 会循环等待（第14行），直到 `timer` 线程设置 `someFlag` 为 true（第9行）。使用 `MutableSingleton` 执行结果如下：

```shell
Timer interrupted main thread ...
Main thread was interrupted by timer ...
804404197/true
```

`timer` 线程与 `thread1` 正确同步，这是因为 `volatile` 在 `MutableSingleton` 上发挥了作用。

让单例失效

删除 `MutableSingleton` 中 `volatile` 关键字再次运行测试，结果应该是这样的（至少在我的机器上是这样的）。这意味着线程协调失效了：

```shell
Timer interrupted main thread ...
```

上面的运行结果表明 `thread1` 无法看到 `someFlag` 修改后的值。`timer` 线程把 `someFlag` 设置为 `true`，但由于 `volatile` 关键字已经删除，`thread1` 看不到更新后的值。

不使用 volatile 会怎么样？

现在让我们做一些别的测试：如果去掉 `MutableSingleton` 上的 `volatile` 关键字，给 `someFlag` 加上 `synchronized` 会怎么样呢？修改单例中的状态会对线程可见吗？下面是修改后的 `MutableSingleton` 类：

```java
public class MutableSingletonSynchronized {
    private static MutableSingletonSynchronized INSTANCE;
    private static final Object mutex = new Object();
    private boolean someFlag;

    // 这个单例包含更多可变状态
    private MutableSingletonSynchronized(boolean someFlag) {
        this.someFlag = someFlag;
    }

    public static MutableSingletonSynchronized getInstance() {
        MutableSingletonSynchronized singleton = INSTANCE;
        if (singleton != null)
            return singleton;
        synchronized (mutex) {
            if (INSTANCE == null)
                INSTANCE = new MutableSingletonSynchronized(false);
            return INSTANCE;
        }
    }

    public synchronized boolean isSomeFlag() {
        return someFlag;
    }

    public synchronized void setSomeFlag(boolean someFlag) {
        this.someFlag = someFlag;
    }
}
```

在上面的代码中，访问 `someFlag` 已标记为 `synchronized` 并且删掉了 `volatile` 关键字。再次执行测试，控制台的输出如下。注意，这次没有使用 `volatile`。

```shell
Timer interrupted main thread ...
Main thread was interrupted by timer ...
60113040/true
```

看起来线程运行一切正常。原因在于访问 `someFlag` 的方法加上了 `synchronized` 关键字，这样本地线程与主内存能正确同步。这里有一个问题：如果采用 `synchronized` 访问，还需要 `volatile` 吗？答案很明确：视情况而定。

volatile 的隐藏特性

只要包含可变状态，采用双重检查锁定模式创建单例，都建议在 `INSTANCE` 字段上使用 `volatile`。因此对于上面的示例，虽然没有使用 `volatile` 线程也能够正常工作，但是应该加上 `volatile` 关键字。这里用到了 `volatile` 的另一个“特性”，有时候被称作“一次性安全发布”。该特性解决了双重检查锁定模式带来的问题，造成问题的原因如下：

由于缺乏同步机制，既可能看到其他线程写入后的新值，也可能看到对象之前的旧值。

这是什么意思？如果不使用 `volatile`，JIT 编译器可能会改变 `INSTANCE` 字段赋值操作（`MutableSingleton` 代码第17行），重新对赋值语句排序。例如，先把静态 `INSTANCE` 字段设为包含默认值的实例，再把可变成员字段 `someFlag` 设为构造函数传入的初始值。情况不凑巧时，会出现后面的线程先进入 `null` 检查（`MutableSingleton` 第13行），这时 `INSTANCE` 的值已经不是 `null`。此时，返回给客户端的实例包含的是不完整的默认值。由于可能出现这种复杂情况，推荐下面规则：

在应用双重检查锁定模式创建单例时，务必使用 `volatile`。

理由：

当单例 `INSTANCE` 字段加上 `volatile` 关键字时，编译器不会对该字段赋值重新排序。

不可变对象

对于不可变单例，情况又有一些不同。如果单例是不可变对象，那么即使不使用 `volatile`，双重检查锁定模式的延迟初始化也能正常运行。[这是因为][1]读写不可变对象都是原子操作。因此，这里要小心确认，引用的对象是否真的不可变：

[1]:http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

对于不可变对象，在双重检查锁定模式中不强制使用 `volatile`。

volatile 没有互斥锁

使用 `volatile` 时还有一点需要注意：尽管 `volatile` 能够确保所有更改对线程都可以见，但并没有像 `synchronized` 那样增加互斥锁。这意味着代码并非线程安全。

```java
private static volatile int nextSerialNumber = 0;
public static int generateNextSerialNumber() {
   return nextSerailNumber++;
}
```

修改 `nextSerialNumber` 对所有线程可见。但是由于(++)实际上执行了读写两个操作，当多个线程调用 `generateNextSerialNumber()` 访问同一个地址时，可能会出现数据竞争。可以通过添加 `synchronized` 解决：

```java
private static int nextSerialNumber = 0;
public static synchronized int generateNextSerialNumber() {
   return nextSerailNumber++;
}
```

只要访问 `nextSerialNumber` 字段标记为 `synchronized`，就不必再使用 `volatile`。

结合 volatile 与 synchronized

综上所述，一个线程安全、性能优良的完整单例模式看起来应该像下面这样：

```java
public class MutableSingletonComplete {
    private static volatile MutableSingletonComplete INSTANCE;
    private static final Object mutex = new Object();
    private volatile boolean someFlag;
    private volatile int counter;
    // 这个单例包含更多可变状态
    private MutableSingletonComplete(boolean someFlag) {
        this.someFlag = someFlag;
    }
    public static MutableSingletonComplete getInstance() {
        MutableSingletonComplete singleton = INSTANCE;
        if (singleton != null)
            return singleton;
        synchronized (mutex) {
            if (INSTANCE == null)
                INSTANCE = new MutableSingletonComplete(false);
            return INSTANCE;
        }
    }
    public boolean isSomeFlag() {
        return someFlag;
    }
    public void setSomeFlag(boolean someFlag) {
        this.someFlag = someFlag;
    }
    public int getCounter() {
        return counter;
    }
    public synchronized void incrementCounter() {
        counter++;
    }
}
```

总结：

• 对 `INSTANCE` 字段使用 `volatile` 关键字，应用一次性安全发布；

• 对单例属性使用 `volatile` 关键字，保持可见性；

• 如果修改状态不是原子操作，即使该字段声明为 `volatile`，也需要使用 `synchronized` 关键字，使用互斥锁；

• 如果单例中的 `volatile` 属性是对象引用，要么该对象也是线程安全的实现，要么对象本身不可变。这样实现会更加完善。

好了，今天的困惑已经够多了，让我们喝杯咖啡。示例代码可以在[这里][2]找到。

希望本文的示例对系统化了解 `volatile` 有所帮助。文中内容难免有错漏，欢迎评论、提问、抛出你的想法。

[2]:https://github.com/nschlimm/playground-java8/tree/master/src/main/java/org/projectbarbel/playground/revisitevolatile

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