多线程下双重检查锁的问题及解决方法

Posted 2022-11-26 走出自己的未来

  单例模式中有一种实现方式叫双重检查锁，主要是为了更好、更安全的实现单例功能。先来看一下该方法的核心代码：  

public  class DoubleCheckedLocking
  private static Instance instance;                 
 
  public static Instance getInstance()             
    if(instance ==null)                            
      synchronized (DoubleCheckedLocking.class)    
        if(instance ==null)                         
          instance=new Instance();                  //①
      
    
    return instance;
  

    表面上来看，在执行该代码时，先判断instance对象是否为空，为空时再进行初始化对象。即使是在多线程环境下，因为使用了synchronized锁进行代码同步，该方法也仅仅创建一个实例对象。但是，从根本上来说，这样写还是存在一定问题的。

  问题源头：

   上述代码标号为①的代码功能是是创建实例对象，可以分解为如下伪代码步骤： 

memory = allocate() ;    //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

  其中②和③之间，在某些编译器编译时，可能出现重排序（主要是为了代码优化），此时的代码如下：  

memory = allocate() ;    //分配对象的内存空间
instance=memory;        //③设置instance指向刚分配的内存地址
ctorInstance(memory);   //②初始化对象

   单线程下执行时序图如下：

 

   多线程下执行时序图：

   

   由于单线程中遵守intra-thread semantics，从而能保证即使②和③交换顺序后其最终结果不变。但是当在多线程情况下，线程B将看到一个还没有被初始化的对象，此时将会出现问题。

   解决方案：

    1、不允许②和③进行重排序

    2、允许②和③进行重排序，但排序之后，不允许其他线程看到。

   基于volatile的解决方案

    对前面的双重锁实现的延迟初始化方案进行如下修改：   

public  class DoubleCheckedLocking
  private volatile static Instance instance;                 
 
  public static Instance getInstance()             
    if(instance ==null)                            
      synchronized (DoubleCheckedLocking.class)    
        if(instance ==null)                         
          instance=new Instance();                  //用volatile修饰，不会再出现重排序
      
    
    return instance;
  

   使用volatile修饰instance之后，之前的②和③之间的重排序将在多线程环境下被禁止，从而保证了线程安全执行。

   注意：这个解决方案需要JDK5或更高版本（因为从JDK5开始使用新的JSR-133内存模型规范，这个规范增强了volatile的语义）

  基于类初始化的解决方案

   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会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。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。    

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
    

   执行的示意图：    

   该方案的实质是，允许②和③进行重排序，但不允许非构造线程（此处是B线程）“看到”这个重排序。