多线程场景下延迟初始化的策略

Posted 2020-08-20 Kingsley

1.什么是延迟初始化

延迟初始化(lazy initialization，即懒加载)是延迟到需要域的值时才将它初始化的行为。如果永远不需要这个值，这个域就永远不会被初始化。这种方法既静态域，也适用于实例域。

最好建议“除非绝对必要，否则就不要这么做”。

 

2.延迟初始化线程安全的一个策略：同步

延迟初始化的一个好处，是当域只在类的实例部分被访问，并且初始化这个域的开销很高，那就可能值得进行延迟初始化。

但是在大多数情况下，正常的初始化要优先于延迟初始化。因为在多线程的场景下，采用某种形式的同步是很重要的，否则就容易造成严重的Bug。

如下面的域bar，采取了延迟初始化的方法，那么在获取的时候，必须加上同步。

 1 class Foo {
 2     
 3     private Bar bar;
 4     
 5     synchronized Bar getBar() {
 6         if(null == bar) {
 7             bar = new Bar();
 8         }
 9         return bar;
10     }
11 }

代码段-1

否则的话，将上面的synchronized关键字去掉，考虑这样的场景：

假设线程AB同时访问getBar()方法，下面表示线程执行代码的顺序，数字表示第几行。

A->6, B->6, A->7, A->9, B->7, B->9;

结果A,B两个线程获得的Bar对象，并不是同一个对象，有些情况下是允许的，但有些情况下很可能会引发问题，比如下面会讲到的单例模式。

很明显，同步可以解决这个问题。但无论是synchronized关键字是加在方法上还是块里面，每次访问getBar()方法，都需要加锁，解锁，增加了开销。

上面的案例对于静态域同样适用。

综上所述，同步可以解决在多线程访问域时线程不安全的问题，但会增加额外的开销。所以这不是一个好的方法。

 

3.静态域延迟初始化的策略：lazy initialization holder class模式

如果出于性能的考虑而需要对静态域使用延迟初始化，就使用lazy initialization holder class模式（也称作initianlize-on-demand holder class idiom）。

这种模式的写法如下：

 1 class Foo {
 2     
 3     //1. 一个私有静态类，将静态域放到静态类里
 4     private static class BarHolder {
 5         static final Bar bar = new Bar();        
 6     }
 7     
 8     //2. 访问域的时候，返回静态类的域
 9     public Bar getBar() {
10         return BarHolder.bar;
11     }
12 }

代码段-2

当getBar()方法被调用时，它读取了BarHolder.bar的值，导致BarHolder类得到初始化。类初始化的时候，会初始化静态域bar. 

对于多个线程来说，无论谁先读取BarHolder.bar的值，BarHolder都将只初始化一次，因此每次访问的结果都是同一个Bar对象。

这种模式的魅力在于，getBar()方法没有被步，并且只执行一个域访问，因此延迟初始化实际上并没有增加任何访问成本。

这种模式最常见的应用，就是在单例模式中。单例模式要求类本身有一个静态域（如instance），指向类的一个实例，该类的getInstance()返回该静态域，并且每次返回的都是同一个对象，这才是一个单例。

假如使用延迟初始化，在getInstance的时候，没有添加同步，如下面所示。

 1 class Foo {
 2     
 3     private static Foo instance ;
 4     
 5     public static Foo getInstance() {
 6         if(null == instance) {
 7             instance = new Foo();
 8         }
 9         return instance;
10     }
11 }

代码段-3

很明显，多次访问可能返回不同的对象，而如果加上synchronized关键字，或者加上读写锁，则开销较大，每次获取一个对象的时候还要竞争锁。

使用了lazy initialization holder class模式，就可以写成下面这样：

 1 class Foo {
 2     
 3     private static class FooHolder {
 4         static final Foo instance = new Foo();
 5     }
 6     
 7     public static Foo getInstance() {
 8         return FooHolder.instance;
 9     }
10 }

代码段-4

当然，最好的实践，还是不要采用延迟初始化。除非是初始化比较耗时而影响了系统的启动，比如我们公司采用OSGi框架，每个bundle启动的时间都要做优化，那么单例的初始化可以等到系统已经启动了，操作时用到再初始化。

 

4.实例域延迟初始化的策略：双重检查模式（double-check idiom）

这种模式避免了域在被初始化之后访问这个域时的锁定开销（参考代码段-1）。这种模式背后的思想是：两次检查域的值（因此为double check），第一次检查时没有锁定，看看这个域是否被初始化了；第二次检查时有锁定。只有当第二次检查时表明这个域没有被初始化，才会调用初始化方法。因为如果域已经被初始化就不会有锁定（域被声明为volatile很重要）。和代码段-1对比一下，一个每次访问都会锁定，无论域是否已经初始化，一个是存在若干次需要锁定，一旦域已经初始化，将不会再有锁定。可见，开销变小了。

 1 class Foo {
 2     //volatile关键字
 3     private volatile Bar bar;
 4     
 5     public Bar getBar() {
 6         //局部变量只是减少读取次数，提升性能，不是严格需要
 7         Bar result = this.bar;
 8         //第一次检查，不锁定
 9         if(null == result) {
10             //一旦初始化，第一次检查将无法通过，不会有锁定开销
11             synchronized (this) {
12                 result = this.bar;
13                 //第二次检查，锁定
14                 if(null == result) {
15                     this.bar = result = new Bar();
16                 }
17             }
18         }
19         return result;
20     }
21 }

代码段-5

注意：在Java 1.5发行之前，双重检查模式的功能很不稳定，因为volatile修饰符的主义不够强，难以支持它。Java 1.5版本引入的内存模式解决了这个问题（内存模式参考 原子性和可见性）。如今，双重检查模式是延迟初始化一个实例域的方法。

有些时候，你可能需要延迟初始化一个可以接受重复初始化的实例域。如果处于这种情况，就可以使用双重检查模式的一个变形，省去第二次检查。这种叫做单重检查模式（single-check iidiom）。对实例域来说，代码如下：

 1 class Foo {
 2     // volatile关键字
 3     private volatile Bar bar;
 4 
 5     public Bar getBar() {
 6         // 局部变量只是减少读取次数，提升性能，不是严格需要
 7         Bar result = this.bar;
 8         // 只有一次检查
 9         if (null == result) {
10             this.bar = result = new Bar();
11         }
12         return result;
13     }
14 }

代码段-6

对静态域来说，实际上，就是代码段-3。

单重检查模式这种情况是可能发生的。例如最近开发的一个特性，通过工厂模式返回一个HttpClient的包装对象（该类是用来向一个固定的系统发送消息的，因此IP，端口，鉴权信息全都是固定的，全局只有一个对象就够了，客户端调用时也不用填写对端系统信息）。

包装类对象延迟初始化。包装类的作用只是包装了一个第三方HttpClient，发送消息，返回响应消息，中间封装了一些操作，减少客户端的调用代码而已。对于客户端来说，这个对象不存储共享数据，使用后也没有存储起来，因此是允许重复初始化域的。