雙重檢查鎖定與延遲初始化

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在Java程式中，有時候可能需要延遲一些高開銷的對象初始化操作，並且只有在使用這些對象時才進行初始化。此時程式員可能會採用延遲初始化。但要正確實現安全執行緒的延遲初始化需要一些技巧，否則很容易出現問題。比如，下面是非安全執行緒的延遲初始化對象的範例程式碼：

public class UnsafeLazyInitialization {    private static Instance instance;    public static Instance getInstance() {        if (instance == null)             //1：A線程執行            instance = new Instance();    //2：B線程執行        return instance;    }}

在UnsafeLazyInitialization中，假設A線程執行代碼1的同時，B線程執行代碼2。此時，線程A可能會看到instance引用的對象還沒有完成初始化（出現這種情況的原因見後文的“問題的根源”）。

對於UnsafeLazyInitialization，我們可以對getInstance()做同步處理來實現安全執行緒的延遲初始化。範例程式碼如下：

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

由於對getInstance()做了同步處理，synchronized將導致效能開銷。如果getInstance()被多個線程頻繁的調用，將會導致程式執行效能的下降；反之，如果getInstance()不會被多個線程頻繁的調用，那麼這個延遲初始化方案將能提供令人滿意的效能。

在早期的JVM中，synchronized（甚至是無競爭的synchronized）存在這巨大的效能開銷。因此，人們想出了一個“聰明”的技巧：雙重檢查鎖定（double-checked locking）。人們想通過雙重檢查鎖定來降低同步的開銷。下面是使用雙重檢查鎖定來實現延遲初始化的範例程式碼：

public class DoubleCheckedLocking {                      //1    private static Instance instance;                    //2    public static Instance getInstance() {               //3        if (instance == null) {                          //4:第一次檢查            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) {  //5:加鎖                if (instance == null)                    //6:第二次檢查                    instance = new Instance();           //7:問題的根源出在這裡            }                                            //8        }                                                //9        return instance;                                 //10    }                                                    //11}                                                        //12

如上面代碼所示，如果第一次檢查instance不為null，那麼就不需要執行下面的加鎖和初始化操作。因此可以大幅降低synchronized帶來的效能開銷。上面代碼錶面上看起來，似乎兩全其美：

• 在多個線程試圖在同一時間建立對象時，會通過加鎖來保證只有一個線程能建立對象。
• 在對象建立好之後，執行getInstance()將不需要擷取鎖，直接返回已建立好的對象。

雙重檢查鎖定看起來似乎很完美，但這是一個錯誤的最佳化！線上程執行到第4行代碼讀取到instance不為null時，instance引用的對象有可能還沒有完成初始化。

問題的根源

前面的雙重檢查鎖定範例程式碼的第7行（instance = new Singleton();）建立一個對象。這一行代碼可以分解為如下的三行虛擬碼：

memory = allocate();   //1：指派至的記憶體空間ctorInstance(memory);  //2：初始化對象instance = memory;     //3：設定instance指向剛分配的記憶體位址

上面三行虛擬碼中的2和3之間，可能會被重排序（在一些JIT編譯器上，這種重排序是真實發生的，詳情見參考文獻1的“Out-of-order writes”部分）。2和3之間重排序之後的執行時序如下：

memory = allocate();   //1：指派至的記憶體空間instance = memory;     //3：設定instance指向剛分配的記憶體位址  注意，此時對象還沒有被初始化！ctorInstance(memory);  //2：初始化對象

根據《The Java Language Specification, Java SE 7 Edition》（後文簡稱為Java語言規範），所有線程在執行java程式時必須要遵守intra-thread semantics。intra-thread semantics保證重排序不會改變單線程內的程式執行結果。換句話來說，intra-thread semantics允許那些在單線程內，不會改變單線程程式執行結果的重排序。上面三行虛擬碼的2和3之間雖然被重排序了，但這個重排序並不會違反intra-thread semantics。這個重排序在沒有改變單線程程式的執行結果的前提下，可以提高程式的執行效能。

為了更好的理解intra-thread semantics，請看下面的（假設一個線程A在構造對象後，立即訪問這個對象）：

如所示，只要保證2排在4的前面，即使2和3之間重排序了，也不會違反intra-thread semantics。

下面，再讓我們看看多線程並發執行的時候的情況。請看下面的：

由於單線程內要遵守intra-thread semantics，從而能保證A線程的程式執行結果不會被改變。但是當線程A和B按的時序執行時，B線程將看到一個還沒有被初始化的對象。

※註：本文統一用紅色的虛箭線標識錯誤的讀操作，用綠色的虛箭線標識正確的讀操作。

回到本文的主題，DoubleCheckedLocking範例程式碼的第7行（instance = new Singleton();）如果發生重排序，另一個並發執行的線程B就有可能在第4行判斷instance不為null。線程B接下來將訪問instance所引用的對象，但此時這個對象可能還沒有被A線程初始化！下面是這個情境的具體執行時序：

時間	線程A	線程B
t1	A1：指派至的記憶體空間
t2	A3：設定instance指向記憶體空間
t3		B1：判斷instance是否為空白
t4		B2：由於instance不為null，線程B將訪問instance引用的對象
t5	A2：初始化對象
t6	A4：訪問instance引用的對象

這裡A2和A3雖然重排序了，但java記憶體模型的intra-thread semantics將確保A2一定會排在A4前面執行。因此線程A的intra-thread semantics沒有改變。但A2和A3的重排序，將導致線程B在B1處判斷出instance不為空白，線程B接下來將訪問instance引用的對象。此時，線程B將會訪問到一個還未初始化的對象。

在知曉了問題發生的根源之後，我們可以想出兩個辦法來實現安全執行緒的延遲初始化：

1. 不允許2和3重排序；
2. 允許2和3重排序，但不允許其他線程“看到”這個重排序。

後文介紹的兩個解決方案，分別對應於上面這兩點。

基於volatile的雙重檢查鎖定的解決方案

對於前面的基於雙重檢查鎖定來實現延遲初始化的方案（指DoubleCheckedLocking範例程式碼），我們只需要做一點小的修改（把instance聲明為volatile型），就可以實現安全執行緒的延遲初始化。請看下面的範例程式碼：

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為volatile，現在沒問題了            }        }        return instance;    }}

注意，這個解決方案需要JDK5或更高版本（因為從JDK5開始使用新的JSR-133記憶體模型規範，這個規範增強了volatile的語義）。

當聲明對象的引用為volatile後，“問題的根源”的三行虛擬碼中的2和3之間的重排序，在多線程環境中將會被禁止。上面範例程式碼將按如下的時序執行：

這個方案本質上是通過禁止中的2和3之間的重排序，來保證安全執行緒的延遲初始化。

基於類初始化的解決方案

JVM在類的初始化階段（即在Class被載入後，且被線程使用之前），會執行類的初始化。在執行類的初始化期間，JVM會去擷取一個鎖。這個鎖可以同步多個線程對同一個類的初始化。基於這個特性，可以實現另一種安全執行緒的延遲初始化方案（這個方案被稱之為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 ;  //這裡將導致InstanceHolder類被初始化    }}

假設兩個線程並發執行getInstance()，下面是執行的：

這個方案的實質是：允許“問題的根源”的三行虛擬碼中的2和3重排序，但不允許非構造線程（這裡指線程B）“看到”這個重排序。

初始化一個類，包括執行這個類的靜態初始化和初始化在這個類中聲明的靜態欄位。根據java語言規範，在首次發生下列任意一種情況時，一個類或介面類型T將被立即初始化：

• T是一個類，而且一個T類型的執行個體被建立；
• T是一個類，且T中聲明的一個靜態方法被調用；
• T中聲明的一個靜態欄位被賦值；
• T中聲明的一個靜態欄位被使用，而且這個欄位不是一個常量欄位；
• T是一個頂級類（top level class，見java語言規範的§7.6），而且一個Assert 陳述式嵌套在T內部被執行。

在InstanceFactory範例程式碼中，首次執行getInstance()的線程將導致InstanceHolder類被初始化（符合情況4）。

由於Java語言是多線程的，多個線程可能在同一時間嘗試去初始化同一個類或介面（比如這裡多個線程可能在同一時刻調用getInstance()來初始化InstanceHolder類）。因此在java中初始化一個類或者介面時，需要做細緻的同步處理。

Java語言規範規定，對於每一個類或介面C，都有一個唯一的初始化鎖LC與之對應。從C到LC的映射，由JVM的具體實現去自由實現。JVM在類初始化期間會擷取這個初始化鎖，並且每個線程至少擷取一次鎖來確保這個類已經被初始化過了（事實上，Java語言規範允許JVM的具體實現在這裡做一些最佳化，見後文的說明）。

對於類或介面的初始化，java語言規範制定了精巧而複雜的類初始化處理過程。java初始化一個類或介面的處理過程如下（這裡對類初始化處理過程的說明，省略了與本文無關的部分；同時為了更好的說明類初始化過程中的同步處理機制，筆者人為的把類初始化的處理過程分為了五個階段）：

第一階段：通過在Class對象上同步（即擷取Class對象的初始化鎖），來控制類或介面的初始化。這個擷取鎖的線程會一直等待，直到當前線程能夠擷取到這個初始化鎖。

假設Class對象當前還沒有被初始化（初始化狀態state此時被標記為state = noInitialization），且有兩個線程A和B試圖同時初始化這個Class對象。下面是對應的：

下面是這個的說明：

時間	線程A	線程B
t1	A1:嘗試擷取Class對象的初始化鎖。這裡假設線程A擷取到了初始化鎖	B1:嘗試擷取Class對象的初始化鎖，由於線程A擷取到了鎖，線程B將一直等待擷取初始化鎖
t2	A2：線程A看到線程還未被初始化（因為讀取到state == noInitialization），線程設定state = initializing
t3	A3：線程A釋放初始化鎖

第二階段：線程A執行類的初始化，同時線程B在初始化鎖對應的condition上等待：

下面是這個的說明：

時間	線程A	線程B
t1	A1:執行類的靜態初始化和初始化類中聲明的靜態欄位	B1：擷取到初始化鎖
t2		B2：讀取到state == initializing
t3		B3：釋放初始化鎖
t4		B4：在初始化鎖的condition中等待

第三階段：線程A設定state = initialized，然後喚醒在condition中等待的所有線程：

下面是這個的說明：

時間	線程A
t1	A1：擷取初始化鎖
t2	A2：設定state = initialized
t3	A3：喚醒在condition中等待的所有線程
t4	A4：釋放初始化鎖
t5	A5：線程A的初始化處理過程完成

第四階段：線程B結束類的初始化處理：

下面是這個的說明：

時間	線程B
t1	B1：擷取初始化鎖
t2	B2：讀取到state == initialized
t3	B3：釋放初始化鎖
t4	B4：線程B的類初始化處理過程完成

線程A在第二階段的A1執行類的初始化，並在第三階段的A4釋放初始化鎖；線程B在第四階段的B1擷取同一個初始化鎖，並在第四階段的B4之後才開始訪問這個類。

根據java記憶體模型規範的鎖規則，這裡將存在如下的happens-before關係：

這個happens-before關係將保證：線程A執行類的初始化時的寫入操作（執行類的靜態初始化和初始化類中聲明的靜態欄位），線程B一定能看到。

第五階段：線程C執行類的初始化的處理：

下面是這個的說明：

時間	線程B
t1	C1：擷取初始化鎖
t2	C2：讀取到state == initialized
t3	C3：釋放初始化鎖
t4	C4：線程C的類初始化處理過程完成

在第三階段之後，類已經完成了初始化。因此線程C在第五階段的類初始化處理過程相對簡單一些（前面的線程A和B的類初始化處理過程都經曆了兩次鎖擷取-鎖釋放，而線程C的類初始化處理只需要經曆一次鎖擷取-鎖釋放）。

線程A在第二階段的A1執行類的初始化，並在第三階段的A4釋放鎖；線程C在第五階段的C1擷取同一個鎖，並在在第五階段的C4之後才開始訪問這個類。

根據java記憶體模型規範的鎖規則，這裡將存在如下的happens-before關係：

這個happens-before關係將保證：線程A執行類的初始化時的寫入操作，線程C一定能看到。

※注1：這裡的condition和state標記是本文虛構出來的。Java語言規範並沒有硬性規定一定要使用condition和state標記。JVM的具體實現只要實作類別似功能即可。

※注2：Java語言規範允許Java的具體實現，最佳化類的初始化處理過程（對這裡的第五階段做最佳化），具體細節參見java語言規範的12.4.2章。

通過對比基於volatile的雙重檢查鎖定的方案和基於類初始化的方案，我們會發現基於類初始化的方案的實現代碼更簡潔。但基於volatile的雙重檢查鎖定的方案有一個額外的優勢：除了可以對靜態欄位實現延遲初始化外，還可以對執行個體欄位實現延遲初始化。

總結

延遲初始化降低了初始化類或建立執行個體的開銷，但增加了訪問被延遲初始化的欄位的開銷。在大多數時候，正常的初始化要優於延遲初始化。如果確實需要對執行個體欄位使用安全執行緒的延遲初始化，請使用上面介紹的基於volatile的延遲初始化的方案；如果確實需要對靜態欄位使用安全執行緒的延遲初始化，請使用上面介紹的基於類初始化的方案。

參考文獻

1. Double-checked locking and the Singleton pattern
2. The Java Language Specification, Java SE 7 Edition
3. JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification
4. Java Concurrency in Practice
5. Effective Java (2nd Edition)
6. JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
7. The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers
8. Java theory and practice: Fixing the Java Memory Model, Part 2

雙重檢查鎖定與延遲初始化

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