双重检查锁定与延迟初始化

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。

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;
    }
}

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
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。

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。

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。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。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
根据《The Java Language Specification,Java SE 7 Edition》（后文简称为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。
单线程执行时序图
只要保证2排在4的前面，即使2和3之间重排序了，也不会违反intra-thread semantics。
多线程执行时序图
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，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=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！下表是这个场景的具体执行时序。
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

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，如下3行伪代码中的2和3之间的重排序，在多线程环境中将会被禁止。
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
上面示例代码将按如下的时序执行，
这个方案本质上是通过禁止上图中的2和3之间的重排序，来保证线程安全的延迟初始化。

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）。

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，下面是执行的示意图，
这个方案的实质是：允许如下3行伪代码中的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。
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

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。

-----------------------------------------------------------------------------读书笔记摘自 书名：Java并发编程的艺术 作者：方腾飞；魏鹏；程晓明