单例模式下双重校验锁 DCL 的灵魂三问

前言

• hello，大家好，我是 Lorin，今天给大家带来双重校验锁的灵魂三问？以及我们如何一步步实现一个懒汉式单例。开始阅读前，大家可以思考下面三个问题：

DCL 实现中：
1、为什么需要使用两个 if 语句？
2、为什么使用了 synchronized 关键字还需要使用 volatile 关键字？
3、双重校验锁使用需要注意的问题

如何实现一个双重校验锁 DCL

• 双重校验锁 DCL 最常用使用的场景在懒汉式单例，下面我们按照思路简单实现一个懒汉式单例：

定义一个单例变量

public class SingletonDemo {

    private static Object object = null;
}

定义一个获取单例的方法

• 定义一个单例的获取方法，用于单例的初始化和获取，为了支持多线程访问，我们这里使用 synchronized 进行同步，保证同一时刻只有一个线程访问。

public class SingletonDemo {

    private static Object object = null;

    // 初始化和获取实例
    public Object getObject() {
        synchronized (SingletonDemo.class) {
            if (object == null) {
                object = new Object();
            }
            return object;
        }
    }
}

性能优化

• 上面的懒汉式单例看起来并没有多大的问题，但是却存在很大的性能的问题，因为我们每次获取我们的实例都需要进行锁的获取和释放，即使我们的实例已经初始化完成，因此为了解决这个问题，我们需要进行一点点优化。

public class SingletonDemo {

    private volatile static Object object = null;

    public Object getObject() {
        // 如果实例已经初始化完成，直接返回实例不获取锁
        if (object != null){
            return object;
        }
        synchronized (SingletonDemo.class) {
            if (object == null) {
                object = new Object();
            }
            return object;
        }
    }
}

性能优化带来的一点点问题

• 上面的代码表面上看起来已经完美了，解决了并发问题，也优化了性能问题，但是仔细看你会发现了新的问题，由于处理指令重排的优化可能导致 object != null 判断并不准确，怎么理解呢？

创建一个对象分为初始化和实例化两部分，大致可以分为以下几步：

1、在堆中申请一份内存
2、创建对象
3、将 object 指向我们对象的内存引用

如果没有指令重排的情况下，我们拿到的对象一定是完整的对象，但是可能存在指令重排优化，上面的顺序可能变成下面这样：

1、申请一份内存
2、将 object 指向我们对象的内存引用
3、创建对象

那么我们将会拿到一个没有实例化完成的对象，因此我们需要禁止指令重排，Java 提供了 volatile 指令来禁止指令重排。

• 题外话：我们写代码的过程其实就是不断在重复优化和解决的问题，直到达到适应我们目前场景、基本情况的最优解（不一定是理论的最优解）。

什么是指令重排？

• 为了提升执行速度/性能，计算机在执行程序代码的时候，会对指令进行重排序。什么是指令重排？简单来说就是系统在执行代码的时候并不一定是按照程序的代码的顺序依次执行。

• 指令重排可以保证单线程串行语义一致（as-if-serial），但是没有义务保证多线程间的语义也一致，所以在多线程下，指令重排可能会导致一些问题。

• 关于指令重排更多内容可以参考 一文读懂 Java Memory Model(JMM)

• 最后，我们得到了终极版本的代码：

public class SingletonDemo {

    private volatile static Object object = null;

    public Object getObject() {
        // 如果实例已经初始化完成，直接返回实例不获取锁
        if (object != null){
            return object;
        }
        synchronized (SingletonDemo.class) {
            if (object == null) {
                object = new Object();
            }
            return object;
        }
    }
}

总结

如何理解文章开篇理解的三个问题

1、为什么需要使用两个 if 语句？

• 为了性能优化

2、为什么使用了 synchronized 关键字还需要使用 volatile 关键字？

• 性能优化导致带来了多线程指令重排问题，需要使用 volatile 解决指令重排的问题。

3、双重校验锁使用需要注意的问题

• JDK版本大于1.5
• Volatile 屏蔽指令重排序的语义在 JDK1.5 中才被完全修复，此前的 JDK 中即使将变量声明为 volatile 也仍然不能完全避免重排序所导致的问题
• 关于 Volatile 相关介绍可以参考 Volatile 相关章节。

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