雙重檢查鎖為什么要使用volatile字段?

雙重鎖的由來(lái)

單例模式中，有一個(gè)DCL(雙重鎖)的實(shí)現(xiàn)方式。在Java程序中，有時(shí)候可能需要推遲一些高開銷的對(duì)象初始化操作，并且只有在使用這些對(duì)象時(shí)才開始初始化。

下面是非線程安全的延遲初始化對(duì)象的實(shí)例代碼。

/**
 * @author xiaoshu
 */
public class Instance {
}

/**
 * 非線程安全的延遲初始化對(duì)象
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class UnsafeLazyInitialization {
    private static Instance instance;

    public static Instance getInstance() {
        if (null == instance) {
            instance = new Instance();
        }
        return instance;
    }
}

在UnsafeLazyInitialization類中，假設(shè)A線程執(zhí)行代碼1的同時(shí)，B線程執(zhí)行代碼2。此時(shí)，線程A可能會(huì)看到instance引用對(duì)象還沒(méi)有完成初始化。

對(duì)于UnsafeLazyInitialization類，我們可以對(duì)getInstance()方法做同步處理來(lái)實(shí)現(xiàn)線程安全的延遲初始化。示例代碼如下。

/**
 * 安全的延遲初始化
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class SafeLazyInitialization {
    private static Instance instance;

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

由于對(duì)getInstance()方法做了同步處理，synchronized將導(dǎo)致性能開銷。如果getInstance()方法被多個(gè)線程頻繁的調(diào)用，將會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行性能的下降。反之，如果getInstance()方法不會(huì)被多個(gè)線程頻繁的調(diào)用，那么這個(gè)延遲初始化方案將能提供令人滿意的性能。

后來(lái)，提出了一個(gè)“聰明”的技巧：雙重檢查鎖定（Double-Checked Locking)。想通過(guò)雙重檢查鎖定來(lái)降低同步的開銷。下面是使用雙重檢查鎖定來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲初始化的實(shí)例代碼。

/**
 * 雙重檢查鎖定
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class DoubleCheckedLocking {
    private static Instance instance;

    public static Instance getInstance() {
        if (null == instance) {                             //1.第一次檢查
            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) {     //2.加鎖
                if (null == instance) {                     //3：第二次檢查
                    instance = new Instance();              //4.問(wèn)題的根源出在這里
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

雙重檢查鎖定看起來(lái)似乎很完美，但這是一個(gè)錯(cuò)誤的優(yōu)化！在線程執(zhí)行到第1處，代碼讀取到instance不為null時(shí)，instance引用的對(duì)象有可能還沒(méi)有完成初始化。

問(wèn)題的根源

前面的雙重檢查鎖定實(shí)例代碼的第4處（instance = new Instance();)創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象。這一行代碼可以分解為如下的3行偽代碼。

memory = allocate();    //1.分配對(duì)象的內(nèi)存空間
ctorInstance(memory); //2.初始化對(duì)象
instance = memory;        //3.設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址

上面3行偽代碼中的2和3之間，可能會(huì)被重排序（在一些JIT編譯器上，這種重排序是真實(shí)發(fā)生的），2和3之間重排序之后的執(zhí)行時(shí)序如下：

memory = allocate();    //1.分配對(duì)象的內(nèi)存空間
instance = memory;        //3.設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址
                                            //注意，此時(shí)對(duì)象還沒(méi)有被初始化！
ctorInstance(memory); //2.初始化對(duì)象

多線程執(zhí)行時(shí)序表

在知曉了問(wèn)題發(fā)生的根源之后，我們可以想出兩個(gè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線程安全的延遲初始化。

1）不允許2和3重排序

2）允許2和3重排序，但不允許其他線程“看到”這個(gè)重排序。

后文介紹的兩個(gè)解決方案，分別對(duì)應(yīng)于上面這兩點(diǎn)。

解決方案一：基于volatile的解決方案

/**
 * 安全的雙重檢查鎖定
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class SafeDoubleCheckedLocking {
    private volatile static Instance instance;

    public static Instance getInstance() {
        if (null == instance) {
            synchronized (SafeDoubleCheckedLocking.class) {
                if (null == instance) {
                    instance = new Instance();//instance為volatile，現(xiàn)在沒(méi)有問(wèn)題了。
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

注意：這個(gè)解決方案需要JDK5或更高版本（因?yàn)閺腏DK5開始使用新的JSR-133內(nèi)存模型規(guī)范，這個(gè)規(guī)范增強(qiáng)了volatile的語(yǔ)義）。

當(dāng)聲明對(duì)象的引用為volatile后，3行偽代碼中的2和3之間的重排序，在多線程環(huán)境中將會(huì)被禁止。

解決方案二：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(huì)執(zhí)行類的初始化。在執(zhí)行類的初始化期間，JVM會(huì)去獲取一個(gè)鎖.這個(gè)鎖可以同步多個(gè)線程對(duì)同一個(gè)類的初始化。

基于這個(gè)特性，可以實(shí)現(xiàn)另一種線程安全的延遲初始化方案（這個(gè)方案被稱之為Initialization On Demand Holder idiom)。

/**
 * 基于類初始化的解決方案
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class InstanceFactory {
    private static class InstanceHolder {
        private static Instance instance = new Instance();
    }

    public static Instance getInstance() {
        return InstanceHolder.instance; //這里將導(dǎo)致InstanceHolder類被初始化
    }
}

字段延遲初始化降低了初始化類或創(chuàng)建實(shí)例的開銷，但增加了訪問(wèn)被延遲初始化的字段的開銷。在大多數(shù)時(shí)候，正常的初始化要優(yōu)于延遲初始化。如果確實(shí)需要對(duì)實(shí)例字段使用線程安全的延遲初始化，請(qǐng)使用上面介紹的基于volatile的延遲初始化的方案；如果確實(shí)需要對(duì)靜態(tài)字段使用線程安全的延遲初始化，請(qǐng)使用上面介紹的基于類初始化的方案。