双重检查锁定与延迟初始化

1、双重锁定的由来

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;
    }
}

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A线程可能会看到instance 引用的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。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。防止，如果 getInstance（）方法不会被多个线程频繁的调用，那么这个延迟方将能提供令人满意的性能。

在早期的JVM中，synchronized存在骏达的性能开销，因此人们想出了一个“聪明”的方法：双重检查检查锁定，人们想通过双重检查锁来降低同步的开销。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，可以大幅度降低synchronized带来的性能开销。看起来很美好：

• 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。

2、问题的根源

前面的双重检查锁定示例代码的第7行，创建了一个对象，这一行代码可以分为如下的3行伪代码：

memory = allocate(); // 1：分配内存空间
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，这种排序是真实发生的），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，此时对象还没有被初始化
ctorInstance(memory); // 2：初始化对象

所有线程在执行java程序时必须遵守 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，不会改成单线程程序执行结果的重排序，但这个重排序并不会违反 intra-thread semantics 。这个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。

为了更好地理解 intra-thread semantics ，看下图中所示的示意图（假设一个线程A在构造对象后，立即访问这个对象）。

如图所示，只要保证2排在4前面，即使2和3之间重排序，也不会违反 intra-thread semantics。

下面我们查看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。

回到最开始的问题，DoubleCheckedLocking 实例代码的第7行，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线程A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，但是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和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。

我们可以使用下面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

3、基于 volatile 的解决方案

对于前面的基于双重检查锁定来实现延迟初始化的方案，只需要做一点小的修改，将instance声明为volatile型，就可以实现线程安全的延迟初始化，看下面的代码：

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;
    }
}

这个解决方案需要JDK5或更高版本，从JDK5开始volatile的内存语义增强了

当声明对象的引用为 volatile 后，为对象分配内存和初始化这两步就不会被重排序，在多线程环境中将会被禁止，上面代码将按如下时序执行：

这个方案本质上是通过禁止上面两步的重排序，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：

这个方案实质是：允许第2步和第3步重排序，但不允许非构造线程（这里指线程B）“看到”这个重排序。

初始化一个类，包括执行这个类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，而且这个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 示例代码中，首先执行 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时（比如这里多个线程可能在同一时刻调用getInstance（）方法来初始化InstanceHoler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类确保这个类已经被初始化过了。

对于类或接口的初始化，Java语言规范定制了精巧而复杂的类初始化处理过程。Java初始化一个类或接口的处理过程如下：

第一阶段：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=noInitialize-tion），且有两个线程A和B试图同时初始化这个Class对象，如下图所示：

下图是这个示意图的说明：

第二阶段：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。

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。

下面是这个示意图的说明：

第4阶段：线程B结束类的初始化处理

下面是这个示意图的说明：

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节点的B1获取同一个初始化锁，并在第4节点的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的声明的静态字段），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。

下表是这个示意图的说明：

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节点的A4释放锁；线程C在第5节点的C1获取同一个锁，并在第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。

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，会发现基于类初始化的方案的实现代码更加简洁。但基于volatile的双重检查锁定的方案有一个额外的优势：除了可以对静态子弹实现延迟初始化外，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volatile的延迟初始化方案；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。