【Java并发编程】双重检查问题和解决方案

双重检查的由来

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，线程A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;
    }
}

在早期的JVM中，synchronized（甚至是无竞争的synchronized）存在巨大的性能开销。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。

public class Instance{ 
    private static Instance instance; 
    privat int id;
    public Instance(){
        this.id=666;
    }
    public static Instance getInstance() { // 1
        if (instance == null) { // 2:第一次检查
            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) { // 3:加锁
            if (instance == null) // 4:第二次检查
                instance = new Instance(); // 5:问题的根源出在这里
            } 
        } 
        return instance; 
    } 
    public int getId(){//6
        return id;
    }
}

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。

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。

双重检查锁定看起来似乎很完美，但这是一个错误的优化！假设有两个线程,线程A和线程B, 线程A是初次访问getInstance()方法, 此时在代码//2 处instance == null为true, 进入同步代码块, 此时线程B也来访问getInstance()方法, 线程B在代码//2 处instance == null可能返回false, 但是此时的instance并没有完全实例化完, 这样线程B返回了一个没有被完全实例化完的instance, 那么线程B在拿这个instance进行调用代码//6的时候就并不能按照预期拿到id=666的结果,此时DCL的问题就出来了.

问题的原因

前面的双重检查锁定示例代码的第7处（instance=new Singleton();）创建了一个对象。这一行代码可以分解为如下的3行伪代码。

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3行伪代码中的2和3之间，可能会被重排序，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
// 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。

解决方案

（1）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（把instance声明为volatile型），就可以实现线程安全的延迟初始化。

private volatile static Instance instance;

那么为什么使用volatile修饰就可以了呢？

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原因：如果你已经了解了volatile以后你会知道, volatile是会保证被修饰的变量的可见性(至于如何保证可见性请参考volatile介绍) 和有序性

volatile的有序性做一下简单的介绍, 被volatile修饰的变量不参与指令重排, 在操作volatile变量时在变量操作之前的代码一定是执行完毕并且是可见的, 在变量操作之后的代码一定是还没有被执行的(详细介绍请参见我的另一篇文章volatile详解)

所以当instance被定义为 private volatile static Instance instance的话就会保证在创建对象的时候的执行顺序一定是1-2-3的步骤,从而在线程B访问第2处代码时候，instance要么为null 要么是已经完全初始化好的对象, 从而避免了上述问题的出现。

（2）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）。

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：

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()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。

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。

假设线程A,B,C都在获取初始化锁，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。

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。

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。

第5阶段：线程C执行类的初始化的处理。

补充：

1.类的初始化在对象初始化之前。在对象初始化之前，类的初始化一定是完成了的，即类的初始化永远在对象的初始化之前。

2.当类被第一次使用的时候会被初始化，而且只会被一个线程初始化一次。