java程式中雙重檢查鎖定與延遲初始化

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，請看下面的示意圖（假設一個線程A在構造對象後，立即訪問這個對象）：

如上圖所示，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。