延迟加载的一些知识和误区

Posted 2021-01-21 itjun

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最近开始看《java并发编程的艺术》一书,从里面get到了好些知识上的盲点,下面就延迟加载这个问题来分析一波~~

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首先咱们来看一段简单的代码:

public class DelayLoad {

    private DelayLoad() {
    }

    private static DelayLoad instance;

    public static DelayLoad getInstance() {
        if (instance == null) {               //步骤1
            instance = new DelayLoad();       //步骤2
        }
        return instance;
    }
}

从上面的代码片段里,很容易发现在多线程并发情况下去调用getInstance是会出问题的.当A线程和B线程同时进入到步骤1处,便会实例化两个对象出来,A和B访问到的对象就不会是同一个。

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下面升级一下,加上同步关键字synchronized

public class DelayLoad {

    private DelayLoad() {
    }

    private static DelayLoad instance;

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

代码改成这样后,可以完全保证并发情况下获取的instance实例都会是同一个,但是多个线程同时调用synchronized 修饰的方法,会有获取锁以及释放锁操作,这里会造成大量的性能损耗,得不偿失!

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继续改造一下,看能不能提升下性能:

public class DelayLoad {

    private DelayLoad() {
    }

    private static DelayLoad instance;

    public static  DelayLoad getInstance() {
        if (instance == null) {                     //第一次检查
            synchronized (DelayLoad.class){
                if (instance == null) {             //第二次检查
                    instance = new DelayLoad();    //创建实例
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

咱们这里用双重检测的方法来实现这个单例懒加载,用这种策略看上去貌似没有什么问题,多线程并发的情况下往往也就是在第一次检查时都会直接返回实例,这样就不会造成性能损耗.但是,这里有可能出现instance不一致的问题。对于这个问题我们得先了解对象的初始化过程。

对象的初始化过程

1.在堆上为DelayLoad对象分配足够大的空间,所有属性和方法都被设置成缺省值(数字为0，字符为null，布尔为false，而所有引用被设置成null）。
2.执行构造函数检查是否有父类，如果有父类会先调用父类的构造函数，这里假设DelayLoad没有父类，执行缺省值字段的赋值即方法的初始化动作。
3.执行构造函数.

上面创建实例的那一步在cpu上可能经过如下操作:

memory = allocate(); //1分配对象内存空间
initInstance(memory);//2初始化对象
instance = memory;  //3设置instance指向更分配的内存地址

但实际上执行的过程中,2和3步骤有可能进行指令重排,也就是按132的顺序执行,这样就会导致instance指向的是一个属性和值都是缺省值的对象。然后被一个竞争线程所拿到并进行使用。

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目前有两种解决办法

第一种:给实例变量加上volatile 关键字修饰

public class DelayLoad {

    private DelayLoad() {
    }

    private static volatile DelayLoad instance;

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

代码改成上述情况后,在设置instance指向更分配的内存地址之前会有StoreStore内存屏障,执行代码会禁止指令重排,这样咱们拿到的instance都是经过初始化过的。

第二种:基于类初始化的解决方案

public class DelayLoad {

    private DelayLoad() {
    }

    private static class DelayLoadHolder {
        public static DelayLoad instance = new DelayLoad();
    }

    public static DelayLoad getInstance() {
        return DelayLoadHolder .instance;
    }
}

该延迟加载方案是基于JVM的类初始化原理实现的。在执行类的初始化期间，JVM会去获取一个锁，该锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。类只会被加载一次,在加载完成之前对其他线程都是不可见的。这样也能保证获取到的instance也是同一个。

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End