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。
![image-20220616172346178](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616172346178.png)
下面我们查看多线程并发执行的情况:
![image-20220616173452556](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616173452556.png)
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:
![image-20220616173738369](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616173738369.png)
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:
![image-20220616175723230](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616175723230.png)
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:
![image-20220616180440947](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616180440947.png)
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:
![image-20220616192515082](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616192515082.png)
下图是这个示意图的说明:
![image-20220616192552499](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616192552499.png)
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。
![image-20220616192659520](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616192659520.png)
![image-20220616192715081](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616192715081.png)
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。
![image-20220616192841403](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616192841403.png)
下面是这个示意图的说明:
![image-20220616192923800](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616192923800.png)
第4阶段:线程B结束类的初始化处理
![image-20220616192949532](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616192949532.png)
下面是这个示意图的说明:
![image-20220616193007830](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616193007830.png)
![image-20220616193014772](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616193014772.png)
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。
![image-20220616193451252](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616193451252.png)
下表是这个示意图的说明:
![image-20220616193515482](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616193515482.png)
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。
![image-20220616194026162](https://cdn.jsdelivr.net/gh/kuangtf/PictureBed/img/image-20220616194026162.png)
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。