容易被忽略的Java知识点:静态初始化中的同步与死锁

我们在Java的Class中通过statc{...}可以进行静态变量初始化等工作,被称作静态初始化块( 简称static块),static块在类第一次加载的时候执行
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类初始化过程


哪些场景会触发类加载呢?

  1. 类的静态变量被外部访问(读或者写)
  2. 类的静态方法被外部调用
  3. 调用 Class.forName(“..”)
  4. 使用 Class.newInstance() 或者 new 关键字创建实例

无论上述何种方式触发的类加载,都会触发类初始化,类初始化过程中会执行static块,而且在类的整个生命周期中只执行一次。这看起来是理所当然,但是大家有没有想过,当在多线程环境下是如何保证类初始化只执行一次的?

类初始化被JVM当做Synchronized代码块对待,每个类持有一个initialization lock,第一个触发类初始化的线程获取该锁并执行static块,执行完毕后设置fully initialized状态并释放锁。其他类加载被触发时,可以通过fully initialized状态判断是否需要执行类初始化。整个过程类似一个线程安全的单例模型。


避免发生死锁


因为类初始化的本质是Synchronized代码块,多个类同时初始化时在多线程环境下有可能造成死锁,需要我们特别小心,举例如下:

我们定义一个用来进行服务发现的接口IRequestHandler


package com.my;

public interface IRequestHandler {
    void handleRequest();
}

通过RequestHandlerRegistrar类注册实际的服务实现。static块中为了保证所有服务实现类都被加载,会触发各服务实现类的加载和初始化。

package com.my;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class RequestHandlerRegistrar {
    private static String[] handlerNames = new String[]{"com.my.TcpRequestHandler", "com.my.UdpRequestHandler"};
    private static CopyOnWriteArrayList<IRequestHandler> registeredHandlers = new CopyOnWriteArrayList<IRequestHandler>();
    static {
        try {
            // through the service locator this class would find handler class names in real world scenario
            final Class<?> aClass1 = Class.forName(handlerNames[1]);
            aClass1.newInstance();
            final Class<?> aClass = Class.forName(handlerNames[0]);
            aClass.newInstance();
        } catch (ClassNotFoundException | IllegalAccessException | InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static synchronized void register(IRequestHandler handler) {
        if (!registeredHandlers.contains(handler)) {
            registeredHandlers.add(handler);
        }
    }
}

TcpRequestHandlerUdpRequestHandler分别是IRequestHandler的一个实现。

package com.my;

//TcpRequestHandler
public class TcpRequestHandler implements IRequestHandler {
    static {
        RequestHandlerRegistrar.register(new TcpRequestHandler());
    }
    @Override
    public void handleRequest() {
        System.out.println("Handle request in TCP request handler");
    }
}

//UdpRequestHandler
public class UdpRequestHandler implements IRequestHandler {
    static {
        RequestHandlerRegistrar.register(new UdpRequestHandler());
    }
    @Override
    public void handleRequest() {
        System.out.println("Handle request in UDP request handler");
    }
}

static块中分别通过RequestHandlerRegistrar的静态方法注册自己,需要注意此处可能触发RequestHandlerRegistrar的类加载和初始化

主进程中需要加载并使用两个Handler,如下:

package com.my;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
    	//bg treahd
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
        executorService.submit(() -> {
                    try {
                        Class.forName("com.my.TcpRequestHandler").newInstance();
                    } catch (ClassNotFoundException | IllegalAccessException | InstantiationException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
        );
        try {
            Class.forName("com.my.UdpRequestHandler").newInstance();
        } catch (ClassNotFoundException | IllegalAccessException | InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

以上代码已经达到触发死锁的条件,我们来分析一下死锁产生的时序:

  1. [bg thread]TcpRequestHandler执行类加载并获取initialization lock进行类初始化
  2. [main thread] UdpRequestHandler执行类加载并获取initialization lock进行类初始化
  3. [bg thread]TcPRequestHandler的static块触发RequestHandlerRegistrar的类加载并获取initialization lock进行类初始化
  4. [main thread]UdpRequestHandler的static块触发RequestHandlerRegistrar的类加载并等待initialization lock的释放
  5. [bg thread]RequestHandlerRegistrar的static块触发UdpRequestHandler的类加载并等待initialization lock的释放

4.5 为了请求对方资源分别进入等待状态,形成死锁。

需要注意下面的路径因为发生在单个线程中,根据Synchronized的可重入机制不会造成死锁

  1. [bg thread]TcpRequestHandler执行类加载并获取initialization lock进行类初始化
  2. [bg thread]TcPRequestHandler的static块触发RequestHandlerRegistrar的类加载并获取initialization lock进行类初始化
  3. [bg thread]RequestHandlerRegistrar的static块触发TcPRequestHandler的类加载,虽然1中的初始化尚未完成,由于可重入锁机制,此时能够再次获取锁,不会阻塞。但是会发现初始化正在进行中,所以不会进行再次初始化,否则会形成死循环。

参考:javase规范

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