双重检查锁定

Posted 2021-11-03 jiuya

看 "java并发编程的艺术" 第3.8

双重检查锁定与延迟初始化

　　在Java多线程程序中，有时候需要采用延迟初始化来降低初始化类和创建对象的开销。双
重检查锁定是常见的延迟初始化技术，但它是一个错误的用法。本文将分析双重检查锁定的
错误根源，以及两种线程安全的延迟初始化方案。

需要注意的是, 双重检查锁定本身是错误的!

双重检查锁定的由来

　　在Java程序中，有时候可能需要推迟一些高开销的对象初始化操作，并且只有在使用这些
对象时才进行初始化。此时，程序员可能会采用延迟初始化。但要正确实现线程安全的延迟初
始化需要一些技巧，否则很容易出现问题。比如，下面是非线程安全的延迟初始化对象的示例
代码。

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;
    }
}

　　

　　在UnsafeLazyInitialization类中，假设A线程执行代码1的同时，B线程执行代码2。此时，线
程A可能会看到instance引用的对象还没有完成初始化（出现这种情况的原因见3.8.2节）。
　　对于UnsafeLazyInitialization类，我们可以对getInstance()方法做同步处理来实现线程安全
的延迟初始化。示例代码如下。

public class SafeLazyInitialization {
    private static Instance instance;

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

        return instance;
    }
}

　　

　　由于对getInstance()方法做了同步处理，synchronized将导致性能开销。如果getInstance()方
法被多个线程频繁的调用，将会导致程序执行性能的下降。反之，如果getInstance()方法不会被
多个线程频繁的调用，那么这个延迟初始化方案将能提供令人满意的性能。
　　在早期的JVM中，synchronized（甚至是无竞争的synchronized）存在巨大的性能开销。因此，
人们想出了一个“聪明”的技巧：双重检查锁定（Double-Checked Locking）。人们想通过双重检查
锁定来降低同步的开销。下面是使用双重检查锁定来实现延迟初始化的示例代码。

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
}

　　

　　如上面代码所示，如果第一次检查instance不为null，那么就不需要执行下面的加锁和初始
化操作。因此，可以大幅降低synchronized带来的性能开销。上面代码表面上看起来，似乎两全
其美。
　　多个线程试图在同一时间创建对象时，会通过加锁来保证只有一个线程能创建对象。
·在对象创建好之后，执行getInstance()方法将不需要获取锁，直接返回已创建好的对象。
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。

 

3.8.2　问题的根源

前面的双重检查锁定示例代码的第7行（instance=new Singleton();）创建了一个对象。这一
行代码可以分解为如下的3行伪代码。

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

上面3行伪代码中的2和3之间，可能会被重排序（在一些JIT编译器上，这种重排序是真实
发生的，详情见参考文献1的“Out-of-order writes”部分）。2和3之间重排序之后的执行时序如
下。

memory = allocate();　　// 1：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
// 注意，此时对象还没有被初始化！
ctorInstance(memory);　// 2：初始化对象

　　

　　上面3行伪代码的2和3之间虽然被重排序了，但这个重排序
并不会违反intra-thread semantics。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。
为了更好地理解intra-thread semantics，请看如图3-37所示的示意图（假设一个线程A在构
造对象后，立即访问这个对象）。
如图3-37所示，只要保证2排在4的前面，即使2和3之间重排序了，也不会违反intra-thread
semantics。
下面，再让我们查看多线程并发执行的情况。如图