java双重检查（Java里面为什么搞了双重检查锁，写完这篇文章终于真相大白了）

双重检查锁定与延迟初始化

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：

COPYpublic 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 中   
   
   
   
   
   
   ，假设 A 线程执行代码 1 的同时
 

 

 

 

 

 

 
，B 线程执行代码 2 
  
  
  
  
  
  
 。此时

 

 

 

 

 

 

，线程 A 可能会看到 instance 引用的对象还没有完成初始化（出现这种情况的原因见后文的“问题的根源
  
  
  
  
  
  
 ”）
  
  
  
  
  
  
 。

对于 UnsafeLazyInitialization              ，我们可以对 getInstance() 做同步处理来实现线程安全的延迟初始化
 


 


 


 


 


 


 
。示例代码如下：

COPYpublic class SafeLazyInitialization { private static Instance instance; public synchronized static Instance getInstance() { if (instance == null) instance = new Instance(); return instance; } }

由于对 getInstance() 做了同步处理
 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 ，synchronized 将导致性能开销 
 
 
 
 
 
 
。如果 getInstance() 被多个线程频繁的调用













，将会导致程序执行性能的下降
   
   
   
   
   
   
  。反之                    ，如果 getInstance() 不会被多个线程频繁的调用 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ，那么这个延迟初始化方案将能提供令人满意的性能
 

 

 

 

 

 

 
。

在早期的 JVM 中




















，synchronized（甚至是无竞争的 synchronized）存在这巨大的性能开销 

 

 

 

 

 

 
。因此             ，人们想出了一个“聪明  
  
  
  
  
  
  ”的技巧：双重检查锁定（double-checked locking）              。人们想通过双重检查锁定来降低同步的开销

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
。下面是使用双重检查锁定来实现延迟初始化的示例代码：

COPYpublic 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 } //12

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












。因此可以大幅降低 synchronized 带来的性能开销                     。上面代码表面上看起来
  
  
  
  
  
  
 ，似乎两全其美：

在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() 将不需要获取锁
 
 
 
 
 
 
，直接返回已创建好的对象



















。

双重检查锁定看起来似乎很完美   
   
   
   
   
   
   ，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              。

问题的根源

前面的双重检查锁定示例代码的第 7 行（instance = new Singleton();）创建一个对象
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
。这一行代码可以分解为如下的三行伪代码：

COPYmemory = 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

上面三行伪代码中的 2 和 3 之间

 

 

 

 

 

 

，可能会被重排序（在一些 JIT 编译器上              ，这种重排序是真实发生的
 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 ，详情见参考文献 1 的“Out-of-order writes
 


 


 


 


 


 


 

”部分）












。2 和 3 之间重排序之后的执行时序如下：

COPYmemory = 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

根据《The Java Language Specification, Java SE 7 Edition》（后文简称为 java 语言规范）                    ，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
  
  
  
  
  
  
 。换句话来说 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ，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
 


 


 


 


 


 


 
。上面三行伪代码的 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的执行结果的前提下  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 ，可以提高程序的执行性能
   
   
   
   
   
   
  。

为了更好的理解 intra-thread semantics













，请看下面的示意图（假设一个线程 A 在构造对象后
  
  
  
  
  
  
 ，立即访问这个对象）：

如上图所示  
  
  
  
  
  
  ，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-thread semantics
 

 

 

 

 

 

 
。

下面   
   
   
   
   
   
   ，再让我们看看多线程并发执行的时候的情况 

 

 

 

 

 

 
。请看下面的示意图：

由于单线程内要遵守 intra-thread semantics
 

 

 

 

 

 

 
，从而能保证 A 线程的程序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

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
。

注：本文统一用红色的虚箭线标识错误的读操作              ，用绿色的虚箭线标识正确的读操作












。

回到本文的主题
 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 ，DoubleCheckedLocking 示例代码的第 7 行（instance = new Singleton();）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 A 线程初始化！下面是这个场景的具体执行时序：

时间 线程 A 线程 B t1 A1：分配对象的内存空间 t2 A3：设置 instance 指向内存空间 t3 B1：判断 instance 是否为空 t4 B2：由于 instance 不为 null 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ，线程 B 将访问 instance 引用的对象 t5 A2：初始化对象 t6 A4：访问 instance 引用的对象

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
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
。

在知晓了问题发生的根源之后
  
  
  
  
  
  
 ，我们可以想出两个办法来实现线程安全的延迟初始化：

不允许 2 和 3 重排序； 允许 2 和 3 重排序  
  
  
  
  
  
  ，但不允许其他线程“看到
 
 
 
 
 
 
”这个重排序












。

volatile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（指 DoubleCheckedLocking 示例代码）
 


 


 


 


 


 


 

，我们只需要做一点小的修改（把 instance 声明为 volatile 型）
 
 
 
 
 
 
，就可以实现线程安全的延迟初始化 
  
  
  
  
  
  
 。请看下面的示例代码：

COPYpublic 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; } }

注意
 

 

 

 

 

 

 
，这个解决方案需要 JDK5 或更高版本（因为从 JDK5 开始使用新的 JSR-133 内存模型规范

 

 

 

 

 

 

，这个规范增强了 volatile 的语义）
  
  
  
  
  
  
 。

当声明对象的引用为 volatile 后              ，“问题的根源   
   
   
   
   
   
   ”的三行伪代码中的 2 和 3 之间的重排序
 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 ，在多线程环境中将会被禁止
 


 


 


 


 


 


 
。上面示例代码将按如下的时序执行：

这个方案本质上是通过禁止上图中的 2 和 3 之间的重排序













，来保证线程安全的延迟初始化 
 
 
 
 
 
 
。

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（这个方案被称之为 Initialization On Demand Holder idiom）：

COPYpublic 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()  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 ，下面是执行的示意图：

这个方案的实质是：允许“问题的根源
 

 

 

 

 

 

 
”的三行伪代码中的 2 和 3 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：

T 是一个类
 
 
 
 
 
 
，而且一个 T 类型的实例被创建； T 是一个类   
   
   
   
   
   
   ，且 T 中声明的一个静态方法被调用； T 中声明的一个静态字段被赋值； 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； T 是一个顶级类（top level class

 

 

 

 

 

 

，见 java 语言规范的§7.6）              ，而且一个断言语句嵌套在 T 内部被执行












。

在 InstanceFactory 示例代码中
 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 ，首次执行 getInstance() 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() 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（事实上













，java 语言规范允许 JVM 的具体实现在这里做一些优化
  
  
  
  
  
  
 ，见后文的说明）












。

流程分析

对于类或接口的初始化  
  
  
  
  
  
  ，java 语言规范制定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（这里对类初始化处理过程的说明
 


 


 


 


 


 


 

，省略了与本文无关的部分；同时为了更好的说明类初始化过程中的同步处理机制
 
 
 
 
 
 
，笔者人为的把类初始化的处理过程分为了五个阶段）：

第一阶段

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 = noInitialization）

 

 

 

 

 

 

，且有两个线程 A 和 B 试图同时初始化这个 Class 对象 
 
 
 
 
 
 
。下面是对应的示意图：

下面是这个示意图的说明：

时间 线程 A 线程 B t1 A1: 尝试获取 Class 对象的初始化锁
   
   
   
   
   
   
  。这里假设线程 A 获取到了初始化锁 B1: 尝试获取 Class 对象的初始化锁              ，由于线程 A 获取到了锁
 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 ，线程 B 将一直等待获取初始化锁 t2 A2：线程 A 看到线程还未被初始化（因为读取到 state == noInitialization）













，线程设置 state = initializing t3 A3：线程 A 释放初始化锁 第二阶段

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：

下面是这个示意图的说明：

时间 线程 A 线程 B t1 A1: 执行类的静态初始化和初始化类中声明的静态字段 B1：获取到初始化锁 t2 B2：读取到 state == initializing t3 B3：释放初始化锁 t4 B4：在初始化锁的 condition 中等待 第三阶段

第三阶段：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：

时间 线程 A t1 A1：获取初始化锁 t2 A2：设置 state = initialized t3 A3：唤醒在 condition 中等待的所有线程 t4 A4：释放初始化锁 t5 A5：线程 A 的初始化处理过程完成 第四阶段

第四阶段：线程 B 结束类的初始化处理：

下面是这个示意图的说明：

时间 线程 B t1 B1：获取初始化锁 t2 B2：读取到 state == initialized t3 B3：释放初始化锁 t4 B4：线程 B 的类初始化处理过程完成

线程 A 在第二阶段的 A1 执行类的初始化




















，并在第三阶段的 A4 释放初始化锁；线程 B 在第四阶段的 B1 获取同一个初始化锁             ，并在第四阶段的 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 

 

 

 

 

 

 
。

第五阶段

第五阶段：线程 C 执行类的初始化的处理：

下面是这个示意图的说明：

时间 线程 B t1 C1：获取初始化锁 t2 C2：读取到 state == initialized t3 C3：释放初始化锁 t4 C4：线程 C 的类初始化处理过程完成

在第三阶段之后
  
  
  
  
  
  
 ，类已经完成了初始化              。因此线程 C 在第五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 在第二阶段的 A1 执行类的初始化
 


 


 


 


 


 


 

，并在第三阶段的 A4 释放锁；线程 C 在第五阶段的 C1 获取同一个锁
 
 
 
 
 
 
，并在在第五阶段的 C4 之后才开始访问这个类












。根据 java 内存模型规范的锁规则   
   
   
   
   
   
   ，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
 

 

 

 

 

 

 
，线程 C 一定能看到                     。

注 1：这里的 condition 和 state 标记是本文虚构出来的
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
。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              。

注 2：Java 语言规范允许 Java 的具体实现

 

 

 

 

 

 

，优化类的初始化处理过程（对这里的第五阶段做优化）              ，具体细节参见 java 语言规范的 12.4.2 章
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
 
  
。

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
 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 ，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有一个额外的优势：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 
  
  
  
  
  
  
 。

总结

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             ，请使用上面介绍的基于类初始化的方案 
 
 
 
 
 
 
。

本文由传智教育博学谷教研团队发布
   
   
   
   
   
   
  。

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