双重检验锁与延迟加载

╰半夏微凉° 2022-10-07 04:57 129阅读 0赞

### 1、双重检验锁的由来 ###

在Java程序中，有时候需要推迟一些高开销的对象初始化操作，并且只实例化一次（jvm可以保证一次加载，但可以多次初始化）。此时，就引入了单例模式。比如，非线程安全的单例：

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;
        }
    }

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，这样就无法保证单例。可以对getInstance()方法做同步处理，如下：

public class SafeLazyInitialization {
        private static Instance instance;
        public synchronized static Instance getInstance() {
            if (instance == null)
                instance = new Instance();
            return instance;
        }
    }

在早期的JVM中，synchronized存在巨大的性能开销，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。因此，想出了一个“聪明”的技巧：双重检查锁定（Double-Checked Locking），来降低同步的开销，示例：

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：

*  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()方法将不需要获取锁，直接返回已创建好的对象。

很遗憾，双重检查锁定看起来似乎很完美，但是一个错误的优化：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，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》（JLS，简称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3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执行结果的前提下，可以提高程序的执行性能。

为了更好地理解intra-thread semantics，如下图（假设一个线程A在构造对象后，立即访问这个对象），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-threadsemantics。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

由于单线程内要遵守intra-thread semantics，从而能保证A线程的执行结果不会被改变。但是，当线程A和B按下图的时序执行时，B线程将看到一个还没有被初始化的对象。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

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！具体执行时序如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

这里A2和A3虽然重排序了，但Java内存模型的intra-thread semantics将确保A2一定会排在A4前面执行。因此，线程A的intra-thread semantics没有改变，但A2和A3的重排序，将导致线程B在B1处判断出instance不为空，线程B接下来将访问instance引用的对象。此时，线程B将会访问到一个还未初始化的对象。

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。

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。

下面分别介绍两个解决方案。

### 3、基于volatle的解决方案 ###

对于双重检验锁，可以通过volatile方案来解决，代码如下：

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JDK 5或更高版本（因为从JDK 5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，上面的三行伪代码中的2和3之间的重排序，在多线程环境中将会被禁止。上面代码将按如下的时序执行：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

**注意**：volatile 可以避免多线程下双重检查锁延迟加载时的重排序问题，但前提是字段分配是同步块中的最后一步。否则，您将面临线程访问半初始化对象的风险。举个例子：

public class SafeDoubleCheckedLocking {
        private volatile static Instance instance;
        public static Instance getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (SafeDoubleCheckedLocking.class) {
                    if (instance == null)
                        instance = new Instance(); // 虽然volatile可以避免这里的赋值冲排序，但是无法保证下面的语句不重排序
                        instance.setName("test");//这里会造成问题
                }
            } 
            return instance;
        }
    }

### 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，利用静态内部类，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()方法，如下图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

这个方案的实质是：允许三行伪代码中的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。

初始化一个类，包括执行这个类的静态初始化和初始化在这个类中声明的静态字段。根据Java语言规范，虚拟机规范严格规定了类初始化时机，以下六种主动调用是会触发类的初始化：（加载、验证、准备自然要在初始化之前）

1.  一个类的实例被创建（new操作、反射、cloning、反序列化）；
2.  调用类的static方法；
3.  设置、读取类的static字段（被final修饰已经在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）；
4.  使用reflect包的方法对类进行反射操作时，如果类没有初始化，则立即初始化；
5.  当初始化一个类时，如果发现父类还没有进行初始化，则需要先处罚父类的初始化；
6.  被设定为JVM启动时的启动类（具有main方法的类）；

**4.1）类初始化的多线程安全保证：**

多个线程可能在同一时间尝试去初始化同一个类或接口，为此Java语言规范制定了精巧而复杂的类初始化处理过程，规定：对于每一个类或接口C，都有一个唯一的初始化锁LC与之对应。从C到LC的映射，由JVM的具体实现去自由实现。JVM在类初始化期间会获取这个初始化锁，并且每个线程至少获取一次锁来确保这个类已经被初始化过了（事实上，Java语言规范允许JVM的具体实现在这里做一些优化，见后文的说明）。

Java初始化一个类或接口的处理过程大致有以下几个阶段：（省略了与本文无关的阶段）

1）第1阶段：通过在Class对象上同步（即获取Class对象的初始化锁），来控制类或接口的初始化。这个获取锁的线程会一直等待，直到当前线程能够获取到这个初始化锁。假设Class对象当前还没有被初始化（初始化状态state，此时被标记为state=noInitializa-tion），且有两个线程A和B试图同时初始化这个Class对象，示意图如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

执行时序表：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

2）第2阶段：线程A执行类的初始化，同时线程B在初始化锁对应的condition上等待。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

执行时序表：

![20210616150419939.png][]

3）第3阶段：线程A设置state=initialized，然后唤醒在condition中等待的所有线程。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

4）第4阶段：线程B结束类的初始化处理。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

执行时序表：

![20210616150510161.png][]

多线程时序表：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

线程A在第2阶段的A1执行类的初始化，并在第3阶段的A4释放初始化锁；线程B在第4阶段的B1获取同一个初始化锁，并在第4阶段的B4之后才开始访问这个类。

根据Java内存模型规范的锁规则，存在如下的happens-before关系：线程A执行类的初始化时的写入操作（执行类的静态初始化和初始化类中声明的静态字段），线程B一定能看到。

5）线程C执行类的初始化的处理：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 11][]

执行时序表：

![20210616150608515.png][]

在第3阶段之后，类已经完成了初始化。因此线程C在第5阶段的类初始化处理过程相对简单一些（前面的线程A和B的类初始化处理过程都经历了两次锁获取-锁释放，而线程C的类初始化处理只需要经历一次锁获取-锁释放）。线程A在第2阶段的A1执行类的初始化，并在第3阶段的A4释放锁；线程C在第5阶段的C1获取同一个锁，并在在第5阶段的C4之后才开始访问这个类。根据Java内存模型规范的锁规则，将存在如下的happens-before关系：线程A执行类的初始化时的写入操作，线程C一定能看到。

注意：这里的condition和state标记是本文虚构出来的。Java语言规范并没有硬性规定一定要使用condition和state标记。JVM的具体实现只要实现类似功能即可。

**4.2）总结两种方案优缺点：**

通过对比基于volatile的双重检查锁定的方案和基于类初始化的方案，我们会发现基于类初始化的方案的实现代码更简洁。但基于volatile的双重检查锁定的方案有一个额外的优势：除了可以对静态字段实现延迟初始化外，还可以对实例字段实现延迟初始化。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。

参考：

[https://tuonioooo-notebook.gitbook.io/java-concurrent/di-san-zhang-java-nei-cun-mo-xing/shuang-zhong-jian-cha-suo-ding-yu-yan-chi-chu-shi-hua][https_tuonioooo-notebook.gitbook.io_java-concurrent_di-san-zhang-java-nei-cun-mo-xing_shuang-zhong-jian-cha-suo-ding-yu-yan-chi-chu-shi-hua]

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