多线程（48）双重检查锁定问题

小鱼儿 2024-04-24 23:14 81阅读 0赞

双重检查锁定（Double-Checked Locking）问题主要发生在尝试通过减少同步的方式来提高代码的执行效率时。这种模式特别适用于单例模式的实现中，因为它旨在减少获取单例实例时的锁竞争。然而，如果没有正确实现，双重检查锁定会导致严重的多线程问题，尤其是在Java语言中。

#### 双重检查锁定模式的基本思想 ####

在双重检查锁定模式中，代码首先检查是否已经创建了实例，如果没有，才进行同步。这样，只有第一次会进行同步，大大减少了锁的开销。

#### 问题根源 ####

在Java中，双重检查锁定的问题是由于Java内存模型（JMM）允许的所谓指令重排序。这意味着在没有足够同步的情况下，写操作的顺序可能与程序代码中的顺序不同。

让我们通过实例来看看错误的双重检查锁定是如何实现的：

public class Singleton {
        
        private static Singleton instance;
    
        public static Singleton getInstance() {
        
            if (instance == null) {
         // 第一次检查
                synchronized (Singleton.class) {
         // 1
                    if (instance == null) {
         // 第二次检查
                        instance = new Singleton(); // 2
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

在上述代码中，看起来似乎我们通过双重检查确保了`instance`仅被初始化一次。然而，问题在于`instance = new Singleton();`这行代码实际上可以分解为以下三个步骤：

1.  分配内存空间给`Singleton`对象。
2.  调用`Singleton`的构造函数来初始化成员变量，形成实例。
3.  将`instance`对象引用指向分配的内存空间（此时`instance`不再是`null`）。

由于Java内存模型允许指令重排序，步骤2和步骤3的顺序可能会被调换。如果在步骤3之后，另一个线程进入`getInstance()`方法，它将看到`instance`不为`null`并返回`instance`，但此时`instance`可能还没有被初始化。

#### 解决方案 ####

Java语言提供了`volatile`关键字来解决这个问题。将`instance`变量标记为`volatile`之后，将阻止指令重排序发生在读和写之间，确保在写`instance`的操作完成之前，不允许其他线程读取`instance`变量。

正确的双重检查锁定（Double-Checked Locking）实现如下：

public class Singleton {
        
        private static volatile Singleton instance;
    
        public static Singleton getInstance() {
        
            if (instance == null) {
        
                synchronized (Singleton.class) {
        
                    if (instance == null) {
        
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

在这个版本中，`instance`声明为`volatile`，这保证了instance引用的写操作对于其他线程来说，在对象初始化完成前是不可见的，从而安全地实现了延迟初始化和避免了双重检查锁定问题。

#### 结论 ####

双重检查锁定问题揭示了多线程编程中的一个常见陷阱，即错误地认为多个操作可以安全地在没有足够同步的情况下进行。通过正确使用`volatile`关键字和同步，我们可以安全地实现双重检查锁定模式，既提高性能又保证线程安全。