“双检测锁”机制

最新推荐文章于 2025-01-12 15:15:29 发布

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#Erlang #多线程 #JVM #IBM #thread

本文探讨了多线程环境下双检测机制的原理与问题，并通过示例代码解释了其在延迟初始化中的应用。针对存在的问题，文章提出了几种解决方案，包括使用volatile关键字、线程本地存储和静态成员等。

引述[0]

双检测机制主要用于多线程环境下的延迟初始化，也经常和单件(Singleton)模式在一起使用。如果只讨论Singleton模式，不必这么麻烦。

下面是一段双检测锁代码：

// Broken multithreaded version
// "Double-Checked Locking" idiom
class Foo { 
  private Helper helper = null;
  public Helper getHelper() {
    if (helper == null) 
      synchronized(this) {
        if (helper == null) 
          helper = new Helper();
      }    
    return helper;
    }
  // other functions and members...
  }

双检测机制不起作用的原因是对象（Helper）的创建和成员（helper）的初始化顺序是不确定的。比如，线程调用方法getHelper()，可以获取一个非空的helper的引用，但是可能发现helper对象成员的值不是正确的应该在构造函数执行之后的值。如果创建对象和初始化对象是一步执行（inline）的，那两者的顺序就无所谓。

在Symantec JIT的虚拟机上的测试验证了双检测的问题。比如下面的语句：

singletons[i].reference = new Singleton();

赋值操作是在构造函数之前执行的。

在Singleton模式下，如果可以只有一个对象，可以定义静态成员。文中给的例子是在一个单独的类中定义：

class HelperSingleton {
  static Helper singleton = new Helper();
}

还可以使用线程本地存储（Thread Local Storage）解决双检测机制

class Foo {
	 /** If perThreadInstance.get() returns a non-null value, this thread
		has done synchronization needed to see initialization
		of helper */
         private final ThreadLocal perThreadInstance = new ThreadLocal();
         private Helper helper = null;
         public Helper getHelper() {
             if (perThreadInstance.get() == null) createHelper();
             return helper;
         }
         private final void createHelper() {
             synchronized(this) {
                 if (helper == null)
                     helper = new Helper();
             }
	     // Any non-null value would do as the argument here
             perThreadInstance.set(perThreadInstance);
         }
}

上面的代码显示可以保证每个线程的getHelper()是安全的和正确的。在Java5及以后的版本里，采用了新的内存模型，可

以使用volatile关键字修饰变量如下：

// Works with acquire/release semantics for volatile
// Broken under current semantics for volatile
  class Foo {
        private volatile Helper helper = null;
        public Helper getHelper() {
            if (helper == null) {
                synchronized(this) {
                    if (helper == null)
                        helper = new Helper();
                }
            }
            return helper;
        }
    }

给变量添加volatile关键字，指示JVM，这个变量是不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。而不是本地内存（比如机器的寄存器）。双检测机制联合使用volatile后，系统不允许对变量的写操作和之前的读写操作进行优化重排执行（reorder），同时，不会对读操作和之前的读写操作进行优化重排执行。

（ the system will not allow a write of a volatile to be reordered with respect to any previous read or write, and a read of a volatile cannot be reordered with respect to any following read or write.）

结合代码，如果helper已经new出来，但是还没有运行构造函数，此时另外一个线程的访问会延后到构造函数执行完毕才成功。就是说如果已经开始对helper进行写操作（new及构造初始化），则读操作（获取引用）不会成功。也就是说，volatile 变量可以被看作是一种 “程度较轻的 synchronized。

一个极端的例子，如果对象是一个不可变对象(immutable object)，所有的成员都是final的，双检测机制可以工作的很好，因为访问一个不可变对象和访问原生类型，比如int，float等32位对象是没有什么区别的，都是原子操作。

总结实现考虑

1. 如果只是在Singleton模式下，可以简单使用静态变量，不适用延迟加载，不会有任何问题

2. 如果一定想延迟加载，加上volalite关键字

3. 如果不记得volalite关键字，使用同步方式，不使用双检测。

别的语言

1. C++：可以结合内存栅栏（memory barriers），思路类似Java中volalite的效果。代码好似从ACE中摘的，但是我看最新的ACE代码，Singleton实现没有发现这样使用，这个问题暂且存疑。

2. Erlang：上面说了这么多，这个问题在Erlang中完全不存在。Erlang的变量不会改变，程序逻辑的流转依靠消息。这也算是Erlang的一个优势吧。

参考：

0. The "Double-Checked Locking is Broken" Declaration http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

1. 正确使用volatile： http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html