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双重检查锁定与延迟初始化

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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。

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。

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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。

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。

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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。

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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
		}													//10
		return instance;									//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！在线程执行到第一次检查时，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。

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。

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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）。2和3之间重排序之后的执行时序如下。

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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
``` 
根据《The Java Language Specif ication, Java SE 7 Edition》（简称为Java语言规范），所有线程在执行Java程序时必须要遵守intra-thread semantics。intra-thread semantics保证重排序不会改变单线程内的程序执行结果。换句话说，intra-thread semantics允许那些在单线程内，不会改变单线程程序执行结果的重排序。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。
线程执行时序 
1: 分配对象的内存空间 
3: 设置instance指向内存空间 
2: 初始化对象 
3: 初次访问对象 
> 虽然这里2和3重排序了，但是只要保证2排在4的前面执行，单线程内的执行结果就不会被改变
多线程执行时序如下：
线程A | 线程B
---|---
1: 分配对象的内存空间 |  
3：设置instance指向内存空间 |  
 -     | 判断instance是否为null
 -    | B线程初次访问对象
2：初始化对象 | 
4：A线程初次访问对象 | 
由于单线程内要遵守intra-thread semantics，从而能保证A线程的执行结果不会被改变。但是，当线程A和B按如上时序执行时，B线程将看到一个还没有被初始化的对象。
回到本文的主题，DoubleCheckedLocking示例代码的第7行（instance=newSingleton();）如果发生重排序，另一个并发执行的线程B就有可能在第4行判断instance不为null。线程B接下来将访问instance所引用的对象，但此时这个对象可能还没有被A线程初始化！下表是这个场景的具体执行时序。
多线程执行时序表：
时间 | 线程A | 线程B 
---|---|--- 
t1 | A1: 分配对象的内存空间 | -
t2 | A3: 设置instance指向内存空间 | -
t3 | - | B1: 判断instance是否为空
t4 | - | B2: 由于instance不为null,线程B将访问instance引用的对象
t5 | A2: 初始化对象 | -
t6 | A4: 访问instance引用的对象 | -
这里A2和A3虽然重排序了，但Java内存模型的intra-thread semantics将确保A2一定会排在A4前面执行。因此，线程A的intra-thread semantics没有改变，但A2和A3的重排序，将导致线程B在B1处判断出instance不为空，线程B接下来将访问instance引用的对象。此时，线程B将会访问到一个还未初始化的对象。
在知晓了问题发生的根源之后，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。
后文介绍的两个解决方案，分别对应于上面这两点。
## 基于volatile的解决方案
将实例定义为volatile类型，实现线程安全的延迟初始化。
``` 
public class SafeDoubleCheckLocking {
	private volatile static Instance instance;
	public static Instance getInstance() {
		if (instance == null) {
			synchronized (SafeDoubleCheckLocking.class) {
				if (instance == null) {
					instance = new Instance();	//instance为volatile,现在没问题了
				}
			}
		}
		return instance;
	}
}

这个解决方案需要JDK 5或更高版本（因为从JDK 5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（这个方案被称之为Initialization On Demand Holder idiom）。

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public class InstanceFactory {
	private static class InstanceHolder {
		public static Instance instance = new Instance();
	}
	
	public static Instance getInstance() {
		return InstanceHolder.instance; 	//这里导致InstanceHolder初始化
	}
}

这个方案的实质是：允许临界区代码重排序，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（其他类外面声明的类），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()方法的线程将导致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()方法来初始化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）。

总结

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。

字段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。

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