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。下面是非线程安全的延迟初始化:
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。
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。
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):
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
}
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
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。
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按图3-38的时序执行时,B线程将看到一个还没有被初始化的对象。
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!
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。
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;
}
}
这个方案本质上是通过禁止图3-39中的2和3之间的重排序,来保证线程安全的延迟初始化。
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。
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
}
}
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:
HikariDataSource 的 getConnection 方法:
private volatile HikariPool pool;
public Connection getConnection() throws SQLException{
if (isClosed()) {
throw new SQLException("HikariDataSource " + this + " has been closed.");
}
if (fastPathPool != null) {
return fastPathPool.getConnection();
}
// See http://en.wikipedia.org/wiki/Double-checked_locking#Usage_in_Java
HikariPool result = pool;
if (result == null) {
synchronized (this) {
result = pool;
if (result == null) {
validate();
LOGGER.info("{} - Starting...", getPoolName());
try {
pool = result = new HikariPool(this);
}
catch (PoolInitializationException pie) {
if (pie.getCause() instanceof SQLException) {
throw (SQLException) pie.getCause();
}
else {
throw pie;
}
}
LOGGER.info("{} - Start completed.", getPoolName());
}
}
}
return result.getConnection();
}
注意代码中的注释,再比较一下,跟维基百科里的大同小异。