java 内存模型之双重检查锁定与线程安全的延迟初始化

2022 年 5 月 09 日
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java 内存模型之双重检查锁定与线程安全的延迟初始化

双重检查锁定

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;    }}

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

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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}

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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。

问题在于第七步，可分为三步：

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

2 和 3 可能发生重排序

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。

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。

解决方案：

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。

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;    }}

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这个方案本质上是通过禁止 2 和 3 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

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    }}

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这个方案的实质是：允许 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）“看到”这个重排序。

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 中声明的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（Top Level Class，见 Java 语言规范的§7.6），而且一个断言语句嵌套在 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）。

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

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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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/038d8c991fad22383380ad6c7】。文章转载请联系作者。

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