单例的双检锁
转自：http://www.blogjava.net/Jhonney/archive/2011/04/08/110280.html
前几天在看一段.NET源代码的时候偶尔遇到了Double-checked Locking (双检锁)的一个使用，于是想到了以前看过的一些资料，写出来分享一下。
主要参考：The "Double-Checked Locking is Broken" Delaration (http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html)
双检锁是在多线程环境下很常见的一种实现singleton模式里lazy initialization的方法。
先看一下最这个模式的起源（注：代码为Java，不过这个问题适用各种语言，比如C++）：
// Single threaded version
class Foo {
private Helper helper = null;
public Helper getHelper() {
if (helper == null)
helper = new Helper();
return helper;
}
// other functions and members...
}
很容易看出，在多线程的情况下，上面的getHelper是不能正确工作的（可能生成多个helper实体）。
于是有下面的改进代码：
// Correct multithreaded version
class Foo {
private Helper helper = null;
public synchronized Helper getHelper() {
if (helper == null)
helper = new Helper();
return helper;
}
// other functions and members...
}
这样写程序不会出错，因为整个getHelper是一个整体的"critical section"，但就是效率很不好，因为我们的目的其实只是在第一个初始化helper的时候需要locking(加锁)，而后面取用helper的时候，根本不需要线程同步。
于是聪明的人们想出了下面的做法：
// Broken multithreaded version
// "Double-Checked Locking" idiom
class Foo {
private Helper helper = null;
public Helper getHelper() {
if (helper == null)
synchronized(this) {
if (helper == null)
helper = new Helper();
}
return helper;
}
// other functions and members...
}
思路很简单，就是我们只需要同步（synchronize）初始化helper的那部分代码从而使代码既正确又很有效率。
这就是所谓的“双检锁”机制（顾名思义）。
很可惜，这样的写法在很多平台和优化编译器上是错误的。
原因在于：helper = new Helper()这行代码在不同编译器上的行为是无法预知的。一个优化编译器可以合法地如下实现helper = new Helper():
1. helper = 给新的实体分配内存
2. 调用helper的构造函数来初始化helper的成员变量
现在想象一下有线程A和B在调用getHelper，
线程A先进入，在执行到步骤1的时候被踢出了cpu。然后线程B进入，B看到的是helper 已经不是null了（内存已经分配），于是它开始放心地使用helper，但这个是错误的，因为在这一时刻，helper的成员变量还都是缺省值，A还没 有来得及执行步骤2来完成helper的初始化。
当然编译器也可以这样实现：
1. temp = 分配内存
2. 调用temp的构造函数
3. helper = temp
如果编译器的行为是这样的话我们似乎就没有问题了，但事实却不是那么简单，因为我们无法知道某个编译器具体是怎么做的，因为在Java的 memory model里对这个问题没有定义（C++也一样），而事实上有很多编译器都是用第一种方法（比如symantec的just-in-time compiler），因为第一种方法看起来更自然。
在上面的参考文章中还提到了更复杂的修改方法，不过很可惜，都是错误的，我这里就略去不介绍了。
那么有什么解决方案呢？有如下一些：
1. 如果你的singleton是static的，那你可以将这个singleton申明为一个独立类的一个成员变量：
class HelperSingleton {
static Helper singleton = new Helper();
}
Java的语意会保证：1. lazy initialization, 2. singleton在被调用前已经完全初始化了。
2. 双检锁对于基础类型（比如int）适用。很显然吧，因为基础类型没有调用构造函数这一步。事实上，我前面提到的.NET里面的那段代码就是在一个int变量上使用双检锁。
3. 使用explicit memory barrier。这个我不说了，关于memory barrier我们可以写一本小册子来介绍，有兴趣的朋友可以自己查一下资料，上面的参考里也有很多相关链接。
4. 使用Thread Local Storage。也不介绍了。
上面的文章还提到了Java在考虑为volatile关键字定义新的语意来解决这个问题以及双检锁对Java里immutable对象影响，
不过因为这篇文章已经有些年头而我也不是Java的专家，所以不太清楚现在的情况怎样，总之，在遇到双检锁的时候，需要的朋友应该做些必要的调查来确定自己的代 码是线程安全的。
