java内存模型之双重检测锁和延迟初始化
1 双重检查锁定及其存在的问题
在单例模式中，普通的单例模式是线程不安全的，如下：
//懒汉式，线程不安全
public static class SingleTon2 {
public static SingleTon2 instance = null;
private SingleTon2() {
}
public static SingleTon2 getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new SingleTon2();
}
return instance;
}
}理所当然地想到加锁，然后就变成下面这样：
//懒汉式，加锁实现线程安全，多线程环境下效率不高
public static class SingleTon3 {
public static SingleTon3 instance = null;
private SingleTon3() {
}
public static synchronized SingleTon3 getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new SingleTon3();
}
return instance;
}
}但是这样效率不高，所以有人就提出双重检测：
public static class SingleTon7 {
private static SingleTon7 instance = null;
private SingleTon7() {
}
public static SingleTon7 getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (SingleTon7.class) {
instance = new SingleTon7();
}
}
return instance;
}
}但是其实这个方法也是线程不安全的，因为在实例化一个对象的时候，可能会发生重排序。先来看看实例化一个对象的过程，即instance = new SingleTon7();这一步的过程：
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的这个过程可能发生想下面这样的重排序：
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：初始化对象在Java语言规范中，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。
接下来说一下什么是intra-thread semantics：
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-threadsemantics。下面看看多线程访问的情况：
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按上图的时序执行时，B线程将看到一个还没有被初始化的对象。下表是具体多线程执行时序表：
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。
2 基于volatile的解决方案
前面说了，在实例化一个对象的过程中，可能发生重排序，所以我们可以利用之前学过的volatile这个关键字禁止重排序。如下面的代码：
public static class SingleTon7 {
private volatile static SingleTon7 instance = null;
private SingleTon7() {
}
public static SingleTon7 getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (SingleTon7.class) {
instance = new SingleTon7();
}
}
return instance;
}
}
3 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。
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:其实在实例化对象的过程中还是发生了重排序，但是这个时候对于线程B是不可见的，而线程A内的重排序并没有什么影响。
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。
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中声明的一个静态方法被调用。
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。
在上面的代码中，首次执行getInstance()方法的线程将导致InstanceHolder类被初始化（符合情况4）。由于Java语言是多线程的，多个线程可能在同一时间尝试去初始化同一个类或接口（比如这里多个线程可能在同一时刻调用getInstance()方法来初始化InstanceHolder类）。因此，在Java中初始化一个类或者接口时，需要做细致的同步处理。
Java语言规范规定，对于每一个类或接口C，都有一个唯一的初始化锁LC与之对应。从C到LC的映射，由JVM的具体实现去自由实现。JVM在类初始化期间会获取这个初始化锁，并且每个线程至少获取一次锁来确保这个类已经被初始化过了。
Java初始化一个类或接口的处理过程如下：
第1阶段：通过在Class对象上同步（即获取Class对象的初始化锁），来控制类或接口的初始化。这个获取锁的线程会一直等待，直到当前线程能够获取到这个初始化锁。
假设Class对象当前还没有被初始化（初始化状态state，此时被标记为state=noInitialization），且有两个线程A和B试图同时初始化这个Class对象。图3-41是对应的示意图：
第2阶段：线程A执行类的初始化，同时线程B在初始化锁对应的condition上等待。
类初始化第二阶段执行时序表
这里线程B得到的是正在初始化中，所以他会释放初始化锁，然后进行等待。
第3阶段：线程A设置state=initialized，然后唤醒在condition中等待的所有线程。
第4阶段：线程B结束类的初始化处理。
线程A在第2阶段的A1执行类的初始化，并在第3阶段的A4释放初始化锁；线程B在第4阶段的B1获取同一个初始化锁，并在第4阶段的B4之后才开始访问这个类。
根据Java内存模型规范的锁规则，这里将存在如下的happens-before关系。这个happens-before关系将保证：线程A执行类的初始化时的写入操作（执行类的静态初始化和初始化类中声明的静态字段），线程B一定能看到。
第5阶段：线程C执行类的初始化的处理。
在第3阶段之后，类已经完成了初始化。因此线程C在第5阶段的类初始化处理过程相对简单一些（前面的线程A和B的类初始化处理过程都经历了两次锁获取-锁释放，而线程C的类初始化处理只需要经历一次锁获取-锁释放）。
线程A在第2阶段的A1执行类的初始化，并在第3阶段的A4释放锁；线程C在第5阶段的C1获取同一个锁，并在在第5阶段的C4之后才开始访问这个类。
根据Java内存模型规范的锁规则，将存在如下的happens-before关系。这个happens-before关系将保证：线程A执行类的初始化时的写入操作，线程C一定能看到。
PS:这里的condition和state标记是虚构出来的。Java语言规范并没有硬性规定一定要使用condition和state标记。JVM的具体实现只要实现类似功能即可。
通过对比，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，请使用基于类初始化的方案。
参照：《Java并发编程的艺术》
