双重检查锁定与延迟初始化

分手后的思念是犯贱 2024-03-16 15:45 8阅读 0赞

### 双重检查锁定的由来 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">在Java程序中，有时候可能需要<code>推迟</code>一些高开销的对象初始化操作，并且只有在<code>使用</code>这些对象时才进行初始化。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">此时，程序员可能会采用<code>延迟</code>初始化。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">但要正确实现线程安全的延迟初始化需要一些<code>技巧</code>，否则很容易出现问题。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">比如，下面是<code>非线程安全</code>的延迟初始化对象的示例代码。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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;
        }
    }

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">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</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">我们可以对getInstance()方法做<code>同步</code>处理来实现线程安全的<code>延迟</code>初始化。示例代码如下。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">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<code>频繁</code>的调用，将会导致程序执行<code>性能</code>的下降。反之，如果getInstance()方法<code>不会</code>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<code>满意</code>的性能。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">在<code>早期</code>的JVM中，synchronized（甚至是无竞争的synchronized）存在<code>巨大</code>的性能开销。因此，人们想出了一个“聪明”的<code>技巧</code>： <strong><code>双重检查锁定</code></strong> （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。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

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
    }

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">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。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">·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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">双重检查锁定看起来似乎很完美，但这是一个<code>错误</code>的优化！在线程执行到第4行， <strong><code>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。</code></strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 问题的根源 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">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。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">memory = allocate();　　// 1：分配对象的内存空间</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ctorInstance(memory);　 // 2：初始化对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">instance = memory;　　 // 3：设置instance指向刚分配的内存地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">memory = allocate();　　// 1：分配对象的内存空间</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">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！</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ctorInstance(memory);　 // 2：初始化对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>单线程执行时序图</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/1a8fd9b5a6a4425d968c7799d5024441.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>多线程执行时序图</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/75587bee628346299259b4f21e736487.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">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，B线程将看到一个还没有被初始化的对象。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">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！下表是这个场景的具体执行时序。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/b6bb76da2d374528b8edf3ffd7c5c14e.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">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<code>未初始化</code>的对象。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">1）<code>不允许</code>2和3重排序。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">2）允许2和3重排序，但<code>不允许</code>其他线程“看到”这个重排序。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">后文介绍的两个解决方案，分别对应于上面这两点。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 基于volatile的解决方案 ###

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;
        }
    }

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">当声明对象的引用为volatile后，如下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<code>禁止</code>。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">memory = allocate();　　// 1：分配对象的内存空间</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ctorInstance(memory);　 // 2：初始化对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">instance = memory;　　 // 3：设置instance指向刚分配的内存地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">上面示例代码将按如下的时序执行，</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/8ee769d9fad249318443d880778c9b45.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>这个方案本质上是通过禁止上图中的2和3之间的重排序，来保证线程安全的延迟初始化。</strong></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 基于类初始化的解决方案 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">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<code>锁</code>。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">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）。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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
        }
    }

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">假设两个线程并发执行getInstance()方法，下面是执行的示意图，</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/264302c672e145139dfb4760d1081e82.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">这个方案的实质是：允许如下3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）“<code>看到</code>”这个重排序。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">memory = allocate();　　// 1：分配对象的内存空间</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ctorInstance(memory);　 // 2：初始化对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">instance = memory;　　 // 3：设置instance指向刚分配的内存地址</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 总结 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">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<code>简洁</code>。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<code>静态字段</code>实现延迟初始化外，还可以对<code>实例字段</code>实现延迟初始化。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">字段延迟初始化<code>降低</code>了初始化类或创建实例的开销，但<code>增加</code>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<code>实例字段</code>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<code>静态字段</code>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。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

\-----------------------------------------------------------------------------读书笔记摘自 书名：Java并发编程的艺术 作者：方腾飞；魏鹏；程晓明

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