如何用JAVA語言分析雙重檢查鎖定

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1、雙重檢查鎖定

在程序開發(fā)中，有時需要推遲一些高開銷的對象初始化操作，并且只有在使用這些對象時才進行初始化，此時可以采用雙重檢查鎖定來延遲對象初始化操作。雙重檢查鎖定是設(shè)計用來減少并發(fā)系統(tǒng)中競爭和同步開銷的一種軟件設(shè)計模式，在普通單例模式的基礎(chǔ)上，先判斷對象是否已經(jīng)被初始化，再決定要不要加鎖。盡管雙重檢查鎖定解決了普通單例模式的在多線程環(huán)境中易出錯和線程不安全的問題，但仍然存在一些隱患。下面以JAVA語言源代碼為例，分析雙重檢查鎖定缺陷產(chǎn)生的原因以及修復(fù)方法。

2、 雙重檢查鎖定的危害

雙重檢查鎖定在單線程環(huán)境中并無影響，在多線程環(huán)境下，由于線程隨時會相互切換執(zhí)行，在指令重排的情況下，對象未實例化完全，導(dǎo)致程序調(diào)用出錯。

3、示例代碼

示例源于Samate Juliet Test Suite for Java v1.3 (https://samate.nist.gov/SARD/testsuite.php)，源文件名：CWE609_Double_Checked_Locking__Servlet_01.java。

3.1缺陷代碼

上述代碼行23行-38行，程序先判斷 stringBad 是否為 null，如果不是則直接返回該 String 對象，這樣避免了進入 synchronized 塊所需要花費的資源。當(dāng) stringBad 為 null 時，使用 synchronized 關(guān)鍵字在多線程環(huán)境中避免多次創(chuàng)建 String 對象。在代碼實際運行時，以上代碼仍然可能發(fā)生錯誤。

對于第33行，創(chuàng)建 stringBad 對象和賦值操作是分兩步執(zhí)行的。但 JVM 不保證這兩個操作的先后順序。當(dāng)指令重排序后，JVM 會先賦值指向了內(nèi)存地址，然后再初始化 stringBad 對象。如果此時存在兩個線程，兩個線程同時進入了第27行。線程1首先進入了 synchronized 塊，由于 stringBad 為 null，所以它執(zhí)行了第33行。當(dāng) JVM 對指令進行了重排序，JVM 先分配了實例的空白內(nèi)存，并賦值給 stringBad，但這時 stringBad 對象還未實例化，然后線程1離開了 synchronized 塊。當(dāng)線程2進入 synchronized 塊時，由于 stringBad 此時不是 null ,直接返回了未被實例化的對象（僅有內(nèi)存地址值，對象實際未初始化）。后續(xù)線程2調(diào)用程序?qū)?stringBad 對象進行操作時，此時的對象未被初始化，于是錯誤發(fā)生。

使用360代碼衛(wèi)士對上述示例代碼進行檢測，可以檢出“雙重檢查鎖定”缺陷，顯示等級為中。在代碼行第27行報出缺陷，如圖1所示：

圖1：“雙重檢查鎖定”的檢測示例

3.2 修復(fù)代碼

在上述修復(fù)代碼中，在第23行使用 volatile 關(guān)鍵字來對單例變量 stringBad 進行修飾。 volatile 作為指令關(guān)鍵字確保指令不會因編譯器的優(yōu)化而省略，且要求每次直接讀值。

由于編譯器優(yōu)化，代碼在實際執(zhí)行的時候可能與我們編寫的順序不同。編譯器只保證程序執(zhí)行結(jié)果與源代碼相同，卻不保證實際指令的順序與源代碼相同，在單線程環(huán)境中并不會出錯，然而一旦引入多線程環(huán)境，這種亂序就可能導(dǎo)致嚴(yán)重問題。 volatile 關(guān)鍵字就可以從語義上解決這個問題，值得關(guān)注的是 volatile 的禁止指令重排序優(yōu)化功能在 Java 1.5 后才得以實現(xiàn)，因此1.5 前的版本仍然是不安全的，即使使用了 volatile 關(guān)鍵字。

使用360代碼衛(wèi)士對修復(fù)后的代碼進行檢測，可以看到已不存在“雙重檢查鎖定”缺陷。如圖2：

圖2：修復(fù)后檢測結(jié)果

4 、如何避免雙重檢查鎖定

要避免雙重檢查鎖定，需要注意以下幾點：

（1）使用 volatile 關(guān)鍵字避免指令重排序，但這個解決方案需要 JDK5 或更高版本，因為從JDK5 開始使用新的 JSR-133 內(nèi)存模型規(guī)范，這個規(guī)范增強了 volatile 的語義。

（2）基于類初始化的解決方案。

JVM在類的初始化階段（即在Class被加載后，且被線程使用之前），會執(zhí)行類的初始化。在執(zhí)行類的初始化期間，JVM會去獲取一個鎖。這個鎖可以同步多個線程對同一個類的初始化。

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