DCL失效问题的探讨

引子:该问题由单例模式引申而来,涉及到的关键词有:线程安全、同步性能、编译执行、指令重排等。

先看一个简单的单例模式实现

public class InstanceHolder{
private static Instance ins = null;
private Instance(){}

public static Instance getInstance(){
if(ins == null){
     ins = new Instance();
}
return ins;
}

线程安全实现

public class InstanceHolder{
private static Instance ins = null;
private Instance(){}

public synchronized static Instance getInstance(){
if(ins == null){
     ins = new Instance();
}
return ins;
}

还能优化吗?
N天以后,勤奋好学的你看了一本refactoring的书,深深为之着迷,准备重构自己写的代码,现在的你已经不是当初的菜鸟,深知synchronized方法比未同步方法慢100倍!同时你也发现,只有第一次调用该方法时才需要同步,一旦ins创建成功,同步完全没必要!

终极版

public class InstanceHolder{
private static Instance ins = null;
private Instance(){}

public static Instance getInstance(){
if(ins == null){
    synchronized(InstanceHolder.class){
    //第二个线程进来时,有可能第一个线程已经创建了ins,所以再判断一次   
    if(ins == null){
             ins = new Instance();
        }
    //第一个线程有可能在锁释放之前,刷新了主内存数据,导致第二个线程获取到的ins不为null
    }
}
return ins;
}

只是看起来很完美
这种看起来很完美的优化技巧就是double-checked locking,但遗憾地告诉你,根据JLS规范,上面的代码不可靠!线程有可能得到一个不为null,但是构造不完全的对象。
Why?
造成不可靠的原因是编译器为了提高执行效率的指令重排。只要认为在单线程下是没问题的,它就可以进行乱序写入!以保证不要让cpu指令流水线中断。

指令重排
为了提高代码的执行效率,JVM会将执行频率高的代码编译成机器码;而对于频率不高的代码则仍然采用解释执行。
常见的编译优化方式有:
方法内联:免去参数、返回值传递过程
去虚拟化:接口的方法只有一个实现类,进行方法内联
冗余消除:运行时去掉无用代码
还有一些编译优化根据“逃逸分析”技术
标量替换:User u=new User(“zhang3”,18)
String n=“zhang3” int age=18,节省内存
栈上分配:逃逸对象直接在栈上分配,快速,GC及时
同步削除:去掉不必要的同步

new Instance()到底发生了什么?

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

上面的伪代码中2、3步可能重排


图片发自简书App

图片发自简书App

解决方案1
Java5以后的版本,可以利用volatile关键字。
Why?
在java5以前,volatile原语不怎么强大,只能保证对象的可见性
但在java5之后,volatile语义加强了,被volatile修饰的对象,将禁止该对象上的读写指令重排序
这样,就保证了线程B读对象时,已经初始化完全了

解决方案2
这也是官方比较推荐的一种方案(effective java 2nd)
点击(此处)折叠或打开
public class InstanceHolder{

private Instance(){}

//Lazy initialization holder class idiom for static fields
private static class Inner{
private static final Instance ins = new Instance()
}

public static Instance getInstance(){
return Inner.ins;
}

原理:一个类只有在被使用时才会初始化,而类初始化过程是非并行的,这些都由JLS能保证。

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