双重检查锁定与延迟初始化

1、Java内存模型的基础

2、Java内存模型中的顺序一致性

3、Java内存模型中的happens-before

4、同步原语(volatile、synchronized、final)

5、双重检查锁定与延迟初始化

6、Java内存模型综述

在多线程程序中，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，至于为什么，往下看就好。

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的时候进行初始化。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){                  // A线程执行
            instance = new Instance();          // B线程执行
        }
        return instance;
    }
}
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在上述代码中，假设线程A执行代码1的同时，线程B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。

对于上述代码，我们可以对getInstance()方法做同步处理来实现线程安全的初始化延迟。代码如下：

public class UnsafeLazyInitialization {
    private  static Instance instance;
    
    public synchronized static Instance getInstance(){
        if (instance == null){                  
            instance = new Instance();         
        }
        return instance;
    }
}
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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()方法不被多个线程频繁调用，那么这个延迟初始化方案将能提供令人满意的性能。

在早起的JVM中，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。下面是双重检查锁定来实现延迟初始化的代码：

public class UnsafeLazyInitialization {                 // 1
    private  static Instance instance;                  // 2
    
    public static Instance getInstance(){               // 3
        if (instance == null){                          // 4 第一次加锁
            synchronized（UnsafeLazyInitialization.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
        }                                               // 10
        return instance;                                // 11
    }
}
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如上代码所示，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，可以大大降低synchronized带来的性能开销。上面的代码看起来，似乎两全其美。

1）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。

2）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4操作时，代码读取到的instance不为null时，instance引用的对象有可能还没有初始化完成。

问题的根源

在前面的代码中的第7行，创建了一个对象。这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
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在上面的2和3操作之间，可能会被重排序，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（此时对象还没有被初始化）
ctorInstance(memory);       // 2:初始化对象
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看上面的代码应该能看出来，在分配内存地址的时候，对象有可能还没有被初始化，之前几篇文章讲过，重排序不会改变程序的执行结果，换句话说：JAVA内存模型允许那些在单线程内，不会改变单线程执行结果的重排序。，如下图：

这是在单线程内，程序结果不会被改变，所以重排序是没有关系的，但是在多线程内，就会有问题，问题跟我们上面讲的一样，看下图你就知道：

对线程程序中，线程B将会看到一个还没有被初始化的对象。这就是问题根源。在知晓了问题发生的根源后，我们可以想出两个办法来实现线程安全的延迟初始化：

1）不允许2和3重排序。

2）允许2和3重排序，但不允许其他线程“看到”这个重排序。

基于volatie的解决方案

基于volatie的解决方案的解决方案很简单，只需要把instance声明为volatile类型，就可以实现线程安全的延迟初始化。请看如下代码：

public class UnsafeLazyInitialization {
    private volatile static Instance instance;
    
    public synchronized static Instance getInstance(){
        if (instance == null){                  
            instance = new Instance();         
        }
        return instance;
    }
}
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这样的话，上述中的2和3之间的重排序在多线程环境中将被禁止。如下图所示：

这个方案本质上是通过禁止重排序来保证线程安全的延迟初始化，在设计模式-单例模式中，就有这样做。

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（这个方案被称之为 Initialization On Demand Holder idiom）：

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 
    }
}
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假设两个线程并发执行 getInstance()，下面是执行的示意图：

这个方案的实质是：允许“问题的根源”的三行伪代码中的 2 和 3 重排序，但不允许非构造线程（这里指线程 B）“看到”这个重排序。

初始化一个类，包括执行这个类的静态初始化和初始化在这个类中声明的静态字段。根据 java 语言规范，在首次发生下列任意一种情况时，一个类或接口类型 T 将被立即初始化：

1）T 是一个类，而且一个 T 类型的实例被创建；

2）T 是一个类，且 T 中声明的一个静态方法被调用；

3）T 中声明的一个静态字段被赋值；

4）T 中声明的一个静态字段被使用，而且这个字段不是一个常量字段；

5）T 是一个顶级类（top level class，见 java 语言规范的§7.6），而且一个断言语句嵌套在 T 内部被执行。 在 InstanceFactory 示例代码中，首次执行 getInstance() 的线程将导致 InstanceHolder 类被初始化（符合情况 4）。

由于 java 语言是多线程的，多个线程可能在同一时间尝试去初始化同一个类或接口（比如这里多个线程可能在同一时刻调用 getInstance() 来初始化 InstanceHolder 类）。因此在 java 中初始化一个类或者接口时，需要做细致的同步处理。

Java 语言规范规定，对于每一个类或接口 C，都有一个唯一的初始化锁 LC 与之对应。从 C 到 LC 的映射，由 JVM 的具体实现去自由实现。JVM 在类初始化期间会获取这个初始化锁，并且每个线程至少获取一次锁来确保这个类已经被初始化过了（事实上，java 语言规范允许 JVM 的具体实现在这里做一些优化，见后文的说明）。

对于类或接口的初始化，java 语言规范制定了精巧而复杂的类初始化处理过程。java 初始化一个类或接口的处理过程如下（这里对类初始化处理过程的说明，省略了与本文无关的部分；同时为了更好的说明类初始化过程中的同步处理机制，笔者人为的把类初始化的处理过程分为了五个阶段）：

第一阶段：通过在 Class 对象上同步（即获取 Class 对象的初始化锁），来控制类或接口的初始化。这个获取锁的线程会一直等待，直到当前线程能够获取到这个初始化锁。

假设 Class 对象当前还没有被初始化（初始化状态 state 此时被标记为 state = noInitialization），且有两个线程 A 和 B 试图同时初始化这个 Class 对象。下面是对应的示意图：

下面是这个示意图的说明：

第二阶段：线程 A 执行类的初始化，同时线程 B 在初始化锁对应的 condition 上等待：

下面是这个示意图的说明：

第三阶段：线程 A 设置 state = initialized，然后唤醒在 condition 中等待的所有线程：

下面是这个示意图的说明：

第四阶段：线程 B 结束类的初始化处理：

下面是这个示意图的说明：

线程 A 在第二阶段的 A1 执行类的初始化，并在第三阶段的 A4 释放初始化锁；线程 B 在第四阶段的 B1 获取同一个初始化锁，并在第四阶段的 B4 之后才开始访问这个类。根据 java 内存模型规范的锁规则，这里将存在如下的 happens-before 关系：

这个 happens-before 关系将保证：线程 A 执行类的初始化时的写入操作（执行类的静态初始化和初始化类中声明的静态字段），线程 B 一定能看到。

第五阶段：线程 C 执行类的初始化的处理：

下面是这个示意图的说明：

在第三阶段之后，类已经完成了初始化。因此线程 C 在第五阶段的类初始化处理过程相对简单一些（前面的线程 A 和 B 的类初始化处理过程都经历了两次锁获取 - 锁释放，而线程 C 的类初始化处理只需要经历一次锁获取 - 锁释放）。

线程 A 在第二阶段的 A1 执行类的初始化，并在第三阶段的 A4 释放锁；线程 C 在第五阶段的 C1 获取同一个锁，并在在第五阶段的 C4 之后才开始访问这个类。根据 java 内存模型规范的锁规则，这里将存在如下的 happens-before 关系：

这个 happens-before 关系将保证：线程 A 执行类的初始化时的写入操作，线程 C 一定能看到。

※注 1：这里的 condition 和 state 标记是本文虚构出来的。Java 语言规范并没有硬性规定一定要使用 condition 和 state 标记。JVM 的具体实现只要实现类似功能即可。

※注 2：Java 语言规范允许 Java 的具体实现，优化类的初始化处理过程（对这里的第五阶段做优化），具体细节参见 java 语言规范的 12.4.2 章。

通过对比基于 volatile 的双重检查锁定的方案和基于类初始化的方案，我们会发现基于类初始化的方案的实现代码更简洁。但基于 volatile 的双重检查锁定的方案有一个额外的优势：除了可以对静态字段实现延迟初始化外，还可以对实例字段实现延迟初始化。

延迟初始化降低了初始化类或创建实例的开销，但增加了访问被延迟初始化的字段的开销。在大多数时候，正常的初始化要优于延迟初始化。如果确实需要对实例字段使用线程安全的延迟初始化，请使用上面介绍的基于 volatile 的延迟初始化的方案；如果确实需要对静态字段使用线程安全的延迟初始化，请使用上面介绍的基于类初始化的方案。