双重检查锁定的单例模式和延迟初始化

Posted 2020-09-24 逆风天堂886

　　有时候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，常用的可能就是延迟初始化，例如：懒汉式单例模式，但是要正确的实现线程安全的延迟初始化需要一些技巧，下面是非线程安全的示例代码：

public class UnsafeLazyInit {
    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 ;
    }
}

　　在示例代码中，假如A线程执行步骤1的同时，B线程执行步骤2，线程A可能会看到instance引用的对象还没有初始化完成。

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

　　对getInstance()方法加上了synchronized关键字进行同步处理，这将导致线程获取锁和释放锁的开销，并且线程之间竞争锁会造成阻塞。如果getInstance()方法不会被多个线程频繁调用，那么这个方案也能够提供令人满意的性能。如果需要多线程频繁的调用，将会导致线程执行性能下降。

　　进一步改进，可以使用双重检查锁定来实现延迟初始化。示例代码如下：

public class UnsafeLazyInit {
    private static Instance instance ;     //1
                                           //2
    public synchronized static Instance getInstance(){  //3
        if(instance == null ){                          //4.第一次检查
            synchronized(UnsafeLazyInit.class){         //5.加锁
                if(instance ==null )                    //6.第二次检查
                    instance = new Instance();             //7.初始化对象： 问题的根源
            }
        }         
        return instance ;
    }
}

　　如上代码所示，如果第一次检查结果不为null，那么就不需要进行加锁和初始化操作 。因此，可以大幅度降低synchronized带来的性能开销，看起来似乎两全其美：当多个线程试图在同一时间创建一个对象时，第5步代码通过加锁保证了只有一个线程能够创建对象。

在对象创建好之后，执行getInstance()方法将不需要再次获得锁，直接返回创建的对象。

　　但是以上代码还有一个错误的优化！当线程A执行到第7步时，线程B执行到第4步，这时候线程B读取到的instance可能不为null，但是instance的引用却还没完成初始化。

　　在第7步创建一个对象，可以拆分为以下三行伪代码执行：

1. memory = allocate() ;//分配对象的内存空间
2. ctorInstance(memory) ;//初始化对象
3. instance = memory ;//引用指向内存空间

　　上述的伪代码，可能会被重排序，在JMM中，这种重排序是被允许的，它只保证重排序不会改变对单线程的执行结果，上述代码2、3步骤重排序不会影响单线程的执行结果，重排序之后的执行顺序如下：

1. memory = allocate() ;//分配对象的内存空间

3. instance = memory ;//引用指向内存空间
                                    //注意： 还没有初始化
2. ctorInstance(memory) ;//初始化对象

　　如果是单线程访问，重排序并不会影响最后的执行结果，如下图所示：

　　下图表示多线程并发执行的情况：

　

　　如上图，重排序只能保证线程A能够正确的访问对象，线程B可能访问到一个还没初始化完成的对象。

　　在知晓了问题的根源之后，要实现线程安全的延迟加载，可以考虑以下两点：

　　（1）不允许2和3重排序。

　　（2）允许2和3重排序，但是这个重排序对其他线程不可见。

 

基于volatile的解决方案：

　　只需要把以上示例的代码做一点小修改（instance声明为volatile型），就可以实现线程安全的延迟初始化。示例代码如下：

public class UnsafeLazyInit {
    private volatile static Instance instance ; 
                                           
    public synchronized static Instance getInstance(){  
        if(instance == null ){                         
            synchronized(UnsafeLazyInit.class){        
                if(instance ==null )                    
                    instance = new Instance(); //instance为volatile，会插入内存屏障，禁止重排序
            }
        }         
        return instance ;
    }
}

　　注意：以上方法需要JDK5或者更高的版本，JDK5之后使用新的内存模型JSR-133内存模型，增强了volatile的内存语义，使volatile和锁拥有相同的内存语义；