双重检查锁定与延迟初始化

在Java程序中,有时候可能需要推迟一些高开销的对象初始化操作,并且只有在使用这些对象时才进行初始化。此时,程序员可能会采用延迟初始化。但要正确实现线程安全的延迟初始化需要一些技巧,否则很容易出现问题。比如,下面是非线程安全的延迟初始化对象的示例代码。

public class UnsafeLazyInitialization {
    private static Instance instance;
    public static Instance getInstance() {
        if (instance == null)               // 1:A线程执行
            instance = new Instance();      // 2:B线程执行
        return instance;
    }
}


在UnsafeLazyInitialization类中,假设A线程执行代码1的同时,B线程执行代码2。此时,线程A可能会看到instance引用的对象还没有完成初始化


对于UnsafeLazyInitialization类,我们可以对getInstance()方法做同步处理来实现线程安全的延迟初始化。示例代码如下。


public class SafeLazyInitialization {
    private static Instance instance;
    public synchronized static Instance getInstance() {
        if (instance == null)
            instance = new Instance();
        return instance;
    }
}

由于对getInstance()方法做了同步处理,synchronized将导致性能开销。如果getInstance()方法被多个线程频繁的调用,将会导致程序执行性能的下降。反之,如果getInstance()方法不会被多个线程频繁的调用,那么这个延迟初始化方案将能提供令人满意的性能。

在早期的JVM中,synchronized(甚至是无竞争的synchronized)存在巨大的性能开销。因此,人们想出了一个“聪明”的技巧:双重检查锁定(Double-Checked Locking)。人们想通过双重检查锁定来降低同步的开销。下面是使用双重检查锁定来实现延迟初始化的示例代码


public class DoubleCheckedLocking {                      // 1
    private static Instance instance;                    // 2
    public static Instance getInstance() {               // 3
        if (instance == null) {                          // 4:第一次检查
            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) {  // 5:加锁
                if (instance == null)                    // 6:第二次检查
                    instance = new Instance();           // 7:问题的根源出在这里
            }                                            // 8
        }                                                // 9
        return instance;                                 // 10
    }                                                    // 11
}



如上面代码所示,如果第一次检查instance不为null,那么就不需要执行下面的加锁和初始化操作。因此,可以大幅降低synchronized带来的性能开销。上面代码表面上看起来,似乎两全其美。

·多个线程试图在同一时间创建对象时,会通过加锁来保证只有一个线程能创建对象。

·在对象创建好之后,执行getInstance()方法将不需要获取锁,直接返回已创建好的对象。

双重检查锁定看起来似乎很完美,但这是一个错误的优化!在线程执行到第4行,代码读取到instance不为null时,instance引用的对象有可能还没有完成初始化。



问题的根源


前面的双重检查锁定示例代码的第7行(instance=new Singleton();)创建了一个对象。这一行代码可以分解为如下的3行伪代码。


memory = allocate();  // 1:分配对象的内存空间
ctorInstance(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3行伪代码中的2和3之间,可能会被重排序(在一些JIT编译器上,这种重排序是真实发生的,详情见参考文献1的“Out-of-order writes”部分)。这样另外的线程将会访问到一个还未初始化的对象。


解决方案


在知晓了问题发生的根源之后,我们可以想出两个办法来实现线程安全的延迟初始化。

1)不允许2和3重排序。

public class SafeDoubleCheckedLocking {
    private volatile static Instance instance;
    public static Instance getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SafeDoubleCheckedLocking.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Instance();         // instance为volatile,现在没问题了
            }
        }
        return instance;
    }
}

通过使用volatile禁止从新排序


























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