双重检查锁定与延迟初始化

本文转载自InfoQ,作者： 程晓明。原文地址

1. 双重检查的由来

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。此时我们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（出现这种情况的原因见下文的“问题的根源”）。

对于UnsafeLazyInitialization，我们可以对getInstance()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()做了同步处理，synchronized将导致性能开销。如果getInstance()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()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）存在这巨大的性能开销。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
}                                                        //12

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：

• 在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()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。

2. 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();）创建一个对象。这一行代码可以分解为如下的三行伪代码：

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

上面三行伪代码中的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）。2和3之间重排序之后的执行时序如下：

memory = allocate(); //1：分配对象的内存空间
instance = memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址
//注意，此时对象还没有被初始化！
ctorInstance(memory); //2：初始化对象

根据《The Java Language Specification, Java SE 7 Edition》（后文简称为java语言规范），所有线程在执行java程序时必须要遵守intra-thread semantics。intra-thread semantics保证重排序不会改变单线程内的程序执行结果。换句话来说，intra-thread semantics允许那些在单线程内，不会改变单线程程序执行结果的重排序。上面三行伪代码的2和3之间虽然被重排序了，但这个重排序并不会违反intra-thread semantics。这个重排序在没有改变单线程程序的执行结果的前提下，可以提高程序的执行性能。

为了更好的理解intra-thread semantics，请看下面的示意图（假设一个线程A在构造对象后，立即访问这个对象）：

如上图所示，只要保证2排在4的前面，即使2和3之间重排序了，也不会违反intra-thread semantics。

下面，再让我们看看多线程并发执行的时候的情况。请看下面的示意图：

由于单线程内要遵守intra-thread semantics，从而能保证A线程的程序执行结果不会被改变。但是当线程A和B按上图的时序执行时，B线程将看到一个还没有被初始化的对象。
注：红色的虚箭线标识错误的读操作，绿色的虚箭线标识正确的读操作。

回到本文的主题，DoubleCheckedLocking示例代码的第7行（instance = new Singleton();）如果发生重排序，另一个并发执行的线程B就有可能在第4行判断instance不为null。线程B接下来将访问instance所引用的对象，但此时这个对象可能还没有被A线程初始化！下面是这个场景的具体执行时序：

时间	线程A	线程B
t1	A1：分配对象的内存空间
t2	A2：设置instance指向内存空间
t3		B1：判断instance是否为空
t4		B2：由于instance不为null，线程B将访问instance引用的对象
t5	A2：初始化对象
t6	A2：访问instance引用的对象

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：

• 不允许2和3重排序；
• 允许2和3重排序，但不允许其他线程“看到”这个重排序。

下面介绍的两个解决方案，分别对应于上面这两点。

3. 基于volatile的解决方案

对于前面的基于双重检查锁定来实现延迟初始化的方案（指DoubleCheckedLocking示例代码），我们只需要做一点小的修改（把instance声明为volatile型），就可以实现线程安全的延迟初始化。请看下面的示例代码：

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;
    }
}

注意，这个解决方案需要JDK5或更高版本（因为从JDK5开始使用新的JSR-133内存模型规范，这个规范增强了volatile的语义）。
当声明对象的引用为volatile后，“问题的根源”的三行伪代码中的2和3之间的重排序，在多线程环境中将会被禁止。上面示例代码将按如下的时序执行：

这个方案本质上是通过禁止上图中的2和3之间的重排序，来保证线程安全的延迟初始化。

4. 基于类初始化的解决方案

JVM在类的初始化阶段（即在Class被加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，JVM会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。
基于这个特性，可以实现另一种线程安全的延迟初始化方案（这个方案被称之为Initialization On Demand Holder idiom）：

public class InstanceFactory {
    private static class InstanceHolder {
        public static Instance instance = new Instance();
    }

    public static Instance getInstance() {
        return InstanceHolder.instance ;  //这里将导致InstanceHolder类被初始化
    }
}

假设两个线程并发执行getInstance()，下面是执行的示意图：

这个方案的实质是：允许“问题的根源”的三行伪代码中的2和3重排序，但不允许非构造线程（这里指线程B）“看到”这个重排序。