双重检查锁为什么要使用volatile字段?

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双重锁的由来

单例模式中,有一个DCL(双重锁)的实现方式。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开始初始化。

下面是非线程安全的延迟初始化对象的实例代码。

/**
 * @author xiaoshu
 */
public class Instance {
}

/**
 * 非线程安全的延迟初始化对象
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class UnsafeLazyInitialization {
    private static Instance instance;

    public static Instance getInstance() {
        if (null == instance) {
            instance = new Instance();
        }
        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。

/**
 * 安全的延迟初始化
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class SafeLazyInitialization {
    private static Instance instance;

    public synchronized static Instance getInstance() {
        if (null == instance) {
            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。

后来,提出了一个“聪明”的技巧:双重检查锁定(Double-Checked Locking)。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实例代码。

/**
 * 双重检查锁定
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class DoubleCheckedLocking {
    private static Instance instance;

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

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1处,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实例代码的第4处(instance = new Instance();)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),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

多线程执行时序表

时间 线程A 线程B
T1 A1:分配对象的内存空间
T2 A3: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 A4:访问instance引用的对象

在知晓了问题发生的根源之后,我们可以想出两个方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。

后文介绍的两个解决方案,分别对应于上面这两点。

解决方案一:基于volatile的解决方案

/**
 * 安全的双重检查锁定
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class SafeDoubleCheckedLocking {
    private volatile static Instance instance;

    public static Instance getInstance() {
        if (null == instance) {
            synchronized (SafeDoubleCheckedLocking.class) {
                if (null == instance) {
                    instance = new Instance();//instance为volatile,现在没有问题了。
                }
            }
        }
        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,3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。

解决方案二: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)。

/**
 * 基于类初始化的解决方案
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class InstanceFactory {
    private static class InstanceHolder {
        private static Instance instance = new Instance();
    }

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

字段延迟初始化降低了初始化类或创建实例的开销,但增加了访问被延迟初始化的字段的开销。在大多数时候,正常的初始化要优于延迟初始化。如果确实需要对实例字段使用线程安全的延迟初始化,请使用上面介绍的基于volatile的延迟初始化的方案;如果确实需要对静态字段使用线程安全的延迟初始化,请使用上面介绍的基于类初始化的方案。

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