java内存模型之双重检查锁定与线程安全的延迟初始化

双重检查锁定

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;
    }
}

public class SafeLazyInitialization {
    private static Instance instance;

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

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
}

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。

问题在于第七步，可分为三步：

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

2和3可能发生重排序

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。

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。

解决方案：

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。

基于volatile的解决方案

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;
    }
}

这个方案本质上是通过禁止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

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
    }
}

这个方案的实质是：允许3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。

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（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）。

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

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