java程序中双重检查锁定与延迟初始化

java程序中双重检查锁定与延迟初始化2014-10-14 infoq 程晓明在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。此时程序员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后文的“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 { //1private static Instance instance;//2public static Instance getInstance（） { //3if （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}//9return 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。

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。

URL：http://www.bianceng.cn/Programming/Java/201410/45834.htm