双重检查锁定与延迟初始化

转载自：http://www.infoq.com/cn/articles/double-checked-locking-with-delay-initialization

       在java程序中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。
       对于UnsafeLazyInitialization，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，提出了一个技巧：双重检查锁定（double-checked locking）。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：
        i. 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。
        ii. 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。

       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）。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

       回到之前的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！
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；2.允许2和3重排序，但不允许其他线程“看到”这个重排序。

基于volatile的双重检查锁定的解决方案
       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），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;    }}

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，更多内容可以参考：http://ifeve.com/initialization-on-demand-holder-idiom/）：

public class InstanceFactory {    private static class InstanceHolder {        static final 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：允许之前提及的三行伪代码中的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。