双重检查锁定与延迟优化

在Java多线程程序中，有时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。

1. 双重所检查的由来

在Java程序中，有时候需要延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二技巧，否则很容易出现一些问题。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) // 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。

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()方法被多个现车给频繁调用，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调用，那么这个延迟方案讲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，人们想通过双重检查锁定来降低同步的开销。

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
}

像上面的代码，如果第一次检查instance的时候不为null，那么就不需要执行下面的加锁和初始化操作。因此，可以大幅度降低synchronized带来的性能开销，上面的代码看起来很完美。

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()方法将不需要获得锁，直接返回已创建好的对象

双重锁检查看起来似乎很完美，但这是一个错误的优化，在线程执行到第4行，代码读取到instance不为null时，instance引用对象有可能还没有完成初始化。

2. 问题根源

前面的双重锁检查第7行代码（instance = new Singleton()；创建了一个对象。这一行代码可以分解为如下3步：

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之间的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

根据Java语言规范，所有线程在执行时必须要遵守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执行结果的前提下，可以提高程序的执行结果。

为了更好的理解intrea-thread-semantics,举个例子：

如第一张图所示，只要保证2排在4钱买你，即使2和3之间重排序了，也不会违背intra-thread-semantics。

第二张图是多线程并发执行的情况，由于单线程内要遵守intra-thread-semantics，从而能保证A线程执行结果不会被改变。但是当线程A和线程B按第二张图执行时，B线程将看到一个还没有被初始化的对象。
回答本文的主题，双重检查锁定示例代码的第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。线程接下来访问instance所引用的对象，但此时这个对象可能还没有被线程A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，但是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 接下来访问instance引用的对象。此时，线程B将会访问到一个没有被初始化的对象。
在只要了问题发生的根源后，我们可以使用两个方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，但是不允许其他线程看到这个重排序

3. 基于volatile的解决方案

对于前面的基于双重锁定来实现延迟初始化的方案，只需要做一点小的修改（把instance声明为volatile型），就可以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;
        }
    }

当声明对象的引用为volatile后。2和3之间的重排序在多线程环境中将会被禁止。上面的代码将按以下顺序执行：

这个方案的本质是通过禁止2和3之间的排序，来保证线程安全的延迟初始化。

4. 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，且在线程被使用之前），会执行类的初始化。在执行初始化期间，JVM会获取一个锁。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。

 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
        }
    } 

假设两个线程并发执行getInstance()方法

这个方案的实质是：允许2和3发生重排序，但是不允许非构造线程B线程，”看到“这个线程。

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，一个类或接口的类型T将立刻被初始化。

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中声明的一个静待方法被调用
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，而且一个断言语句嵌套在T内部被执行

在InstanceFactory 代码中，首次执行getInstance（）方法的线程将导致InstanceHolder类被初始化。