Java高并发编程---双重检查锁定与延迟初始化

 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。而延迟初始化，往往是使用双重检查锁定，但是，这是一个错误的用法。
 

双重检查锁定

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。
  （一） 在初期，人们为了实现延迟初始化对象，使用这种方法：

public class UnsafeLazyInitialization {
	private static Instance instance;
		public static Instance getInstance() {
			if (instance == null)					//1
			instance = new Instance();				//2
		return instance;
	}
}

 但是这种方法是非线程安全的，比如A线程运行到1处时，B线程运行到2处，但是A线程看到的是对象还没有完成初始化，其实B线程已经把对象初始化了。
 
 （二） 后来，出现了一种新的写法，解决了这个问题：

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

 这种写法虽然解决了非线程安全的问，但是其实也出现了新的问题，就是一旦这个方法被多个线程频繁地调用，那么就会降低程序的执行性能。
 
 （三） 再后来，出现了一个聪明的技巧：双重检查锁定（Double-Checked Locking）

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
		return instance; 										// 10
	}														    // 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。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。
 但是但是但是，其实这是一个错误的优化，因为在线程执行到第4行，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。

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。

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

 简单来说，DoubleCheckedLocking示例代码的第7行（instance=new Singleton();）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！
 

解决问题

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。

方案一：使用volatile

public class SafeDoubleCheckedLocking {
	private volatile static Instance instance;
		public static Instance getInstance() {
				if (instance == null) {
					synchronized (SafeDoubleCheckedLocking.class) {
						if (instance == null)
						instance = new Instance(); // instance为volatile，现在没问题了
					}
			}
		return instance;
	}
}

 当声明对象的引用为volatile后，伪代码中的2和3之间的重排序，在多线程环境中将会被禁止，进而保证了线程安全的延迟初始化。
 

方案二：基于类初始化

 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
	}
}

两个线程并发执行getInstance()方法时的执行示意图：

 这个方案的实质是：允许伪代码中的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。
 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。
类初始化处理过程：

1. 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。
2. 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。
3. 线程A设置state=initialized，然后唤醒在condition中等待的所有线程。
4. 线程B结束类的初始化处理。
5. 线程C执行类的初始化的处理。