并发：双重检查锁定（Double-Checked Locking）与延迟初始化（Lazy Initialization）。

爱被打了一巴掌 2024-02-19 14:00 51阅读 0赞

在Java多线程程序中，有时候需要采用延迟初始化来降低初始化类和创建对象的开销。双重检查锁定是常见的延迟初始化技术，但他是一个错误的用法。本文将分析双重检查锁定的错误根源，以及两种线程安全的延迟初始化方案。

## 双重检查锁定的由来 ##

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引用的对象还没有完成初始化。

对于UnsafeLazyInitialization类中，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。

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

在早期的JVM中，synchronized（甚至是无竞争的synchrongized）存在巨大的性能开销。因此，人们想出了一个“聪明”的技巧：双重检查锁定。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() {    // 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。

*  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。

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。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《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，请看如下的示意图（假设一个线程A在构造对象后，立即访问这个对象）。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2VuX2pva2Vy_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

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。

下面，再让我们查看多线程并发执行的情况。如下图所示。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2VuX2pva2Vy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

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按上图的顺序执行时，B线程将看到一个还没有被初始化的对象。

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instace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。下表是这个场景的具体执行时序。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>时间</th> 
   <th>线程A</th> 
   <th>线程B</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>t1</td> 
   <td>A1：分配对象的内存空间</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>t2</td> 
   <td>A3：设置instance指向内存空间</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>t3</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>B1：判断instance是否为空</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>t4</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>B2：由于instance不为null，线程B将访问instance引用的对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>t5</td> 
   <td>A2：初始化对象</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>t6</td> 
   <td>A4：访问instance引用的对象</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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。

*  不允许2和3重排序。
 *  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。

## 基于volatile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，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 SafeDoubleChekckedLocking{
        private volatile static Instance instance;
        public static Instance getInstance() {
            if(instance == null) {
                synchronized(SafeDoubleChekckedLocking.class) {
                    if(instance == null)
                        instance = new Instance();    // instance为volatile，现在没问题了
                }
            }
            return instance;
        }
    }

当声明对象的引用为volatile后，上面的2和3之间的重排序，在多线程环境中将会禁止。上面示例代码按如下的时序执行，如下图所示。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2VuX2pva2Vy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

这个方案本质上是**通过禁止初始化对象和设置instance指向内存空间之间的重排序，来保证线程安全的延迟初始化。**

## 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。

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，下面是执行的示意图，如下图所示。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2VuX2pva2Vy_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

这个方案的实质是：**允许3行为代码中的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，在首次发生下列任意一种情况时，一个类或接口类型T将被立即初始化。

1.  T是一个类，而且一个T类型的实例被创建。
2.  T是一个类，且T中声明的一个静态方法被调用。
3.  T中声明的一个静态字段被赋值。
4.  T中声明一个静态字段被使用，而且这个字段不是一个常量字段。
5.  T是一个顶级类，而且一个断言语言嵌套在T内部被执行。

在InstanceFactory示例代码中，首次执行getInstance()方法的线程将导致InstanceHolder类被初始化（符合情况4）。  
由于Java语言是多线程的，多个线程可能在同一时间尝试去初始化同一个类或接口（比如这里多个线程可能在同一时刻调用getInstance()方法来初始化InstanceHolder类）。因此，在Java中初始化一个类或者接口时，需要做细致的同步处理。

Java语言规范规定，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）。

对于类或接口的初始化，Java语言规范制定了精巧而复杂的类初始化处理过程。Java初始化一个类或接口的处理过程如下（同时为了更好的说明类初始化过程中的同步处理机制，在这里人为的把类初始化的处理过程分为了5个阶段）。

*  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。
 *  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。
 *  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。
 *  第4阶段：线程B结束类的初始化处理。
 *  第5阶段：线程C执行类的初始化的处理。

## 总结 ##

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。

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