摘要：基于的雙重檢查鎖定的解決方案對于前面的基于雙重檢查鎖定來實(shí)現(xiàn)延遲初始化的方案指示例代碼，我們只需要做一點(diǎn)小的修改把聲明為型，就可以實(shí)現(xiàn)線程安全的延遲初始化。

在java程序中，有時(shí)候可能需要推遲一些高開銷的對象初始化操作，并且只有在使用這些對象時(shí)才進(jìn)行初始化。此時(shí)程序員可能會(huì)采用延遲初始化。但要正確實(shí)現(xiàn)線程安全的延遲初始化需要一些技巧，否則很容易出現(xiàn)問題。比如，下面是非線程安全的延遲初始化對象的示例代碼：

public class UnsafeLazyInitialization {
    private static Instance instance;

    public static Instance getInstance() {
        if (instance == null)          //1：A線程執(zhí)行
            instance = new Instance(); //2：B線程執(zhí)行
        return instance;
    }
}

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

對于UnsafeLazyInitialization，我們可以對getInstance()做同步處理來實(shí)現(xiàn)線程安全的延遲初始化。示例代碼如下：

遲初始化。示例代碼如下：

public class SafeLazyInitialization {
    private static Instance instance;

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

由于對getInstance()做了同步處理，synchronized將導(dǎo)致性能開銷。如果getInstance()被多個(gè)線程頻繁的調(diào)用，將會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行性能的下降。反之，如果getInstance()不會(huì)被多個(gè)線程頻繁的調(diào)用，那么這個(gè)延遲初始化方案將能提供令人滿意的性能。

在早期的JVM中，synchronized（甚至是無競爭的synchronized）存在這巨大的性能開銷。因此，人們想出了一個(gè)“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(shí)現(xiàn)延遲初始化的示例代碼：

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:問題的根源出在這里
            }                                            //8
        }                                                //9
        return instance;                                 //10
    }                                                    //11
}

如上面代碼所示，如果第一次檢查instance不為null，那么就不需要執(zhí)行下面的加鎖和初始化操作。因此可以大幅降低synchronized帶來的性能開銷。上面代碼表面上看起來，似乎兩全其美：

在多個(gè)線程試圖在同一時(shí)間創(chuàng)建對象時(shí)，會(huì)通過加鎖來保證只有一個(gè)線程能創(chuàng)建對象。

在對象創(chuàng)建好之后，執(zhí)行g(shù)etInstance()將不需要獲取鎖，直接返回已創(chuàng)建好的對象。

雙重檢查鎖定看起來似乎很完美，但這是一個(gè)錯(cuò)誤的優(yōu)化！在線程執(zhí)行到第4行代碼讀取到instance不為null時(shí)，instance引用的對象有可能還沒有完成初始化。

前面的雙重檢查鎖定示例代碼的第7行（instance = new Singleton();）創(chuàng)建一個(gè)對象。這一行代碼可以分解為如下的三行偽代碼：

memory = allocate();   //1：分配對象的內(nèi)存空間
ctorInstance(memory);  //2：初始化對象
instance = memory;     //3：設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址

上面三行偽代碼中的2和3之間，可能會(huì)被重排序（在一些JIT編譯器上，這種重排序是真實(shí)發(fā)生的，詳情見參考文獻(xiàn)1的“Out-of-order writes”部分）。2和3之間重排序之后的執(zhí)行時(shí)序如下：

memory = allocate();   //1：分配對象的內(nèi)存空間
instance = memory;     //3：設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址
                       //注意，此時(shí)對象還沒有被初始化！
ctorInstance(memory);  //2：初始化對象

根據(jù)《The Java Language Specification, Java SE 7 Edition》（后文簡稱為java語言規(guī)范），所有線程在執(zhí)行java程序時(shí)必須要遵守intra-thread semantics。intra-thread semantics保證重排序不會(huì)改變單線程內(nèi)的程序執(zhí)行結(jié)果。換句話來說，intra-thread semantics允許那些在單線程內(nèi)，不會(huì)改變單線程程序執(zhí)行結(jié)果的重排序。上面三行偽代碼的2和3之間雖然被重排序了，但這個(gè)重排序并不會(huì)違反intra-thread semantics。這個(gè)重排序在沒有改變單線程程序的執(zhí)行結(jié)果的前提下，可以提高程序的執(zhí)行性能。

為了更好的理解intra-thread semantics，請看下面的示意圖（假設(shè)一個(gè)線程A在構(gòu)造對象后，立即訪問這個(gè)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(huì)違反intra-thread semantics。

下面，再讓我們看看多線程并發(fā)執(zhí)行的時(shí)候的情況。請看下面的示意圖：

由于單線程內(nèi)要遵守intra-thread semantics，從而能保證A線程的程序執(zhí)行結(jié)果不會(huì)被改變。但是當(dāng)線程A和B按上圖的時(shí)序執(zhí)行時(shí)，B線程將看到一個(gè)還沒有被初始化的對象。

※注：本文統(tǒng)一用紅色的虛箭線標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤的讀操作，用綠色的虛箭線標(biāo)識(shí)正確的讀操作。

回到本文的主題，DoubleCheckedLocking示例代碼的第7行（instance = new Singleton();）如果發(fā)生重排序，另一個(gè)并發(fā)執(zhí)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(shí)這個(gè)對象可能還沒有被A線程初始化！下面是這個(gè)場景的具體執(zhí)行時(shí)序：

|時(shí)間 | 線程A| 線程B|
|t1| A1：分配對象的內(nèi)存空間||
|t2| A3：設(shè)置instance指向內(nèi)存空間|
|t3|| B1：判斷instance是否為空|
|t4|| B2：由于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||

這里A2和A3雖然重排序了，但java內(nèi)存模型的intra-thread semantics將確保A2一定會(huì)排在A4前面執(zhí)行。因此線程A的intra-thread semantics沒有改變。但A2和A3的重排序，將導(dǎo)致線程B在B1處判斷出instance不為空，線程B接下來將訪問instance引用的對象。此時(shí)，線程B將會(huì)訪問到一個(gè)還未初始化的對象。

在知曉了問題發(fā)生的根源之后，我們可以想出兩個(gè)辦法來實(shí)現(xiàn)線程安全的延遲初始化：

不允許2和3重排序；

允許2和3重排序，但不允許其他線程“看到”這個(gè)重排序。
后文介紹的兩個(gè)解決方案，分別對應(yīng)于上面這兩點(diǎn)。

對于前面的基于雙重檢查鎖定來實(shí)現(xiàn)延遲初始化的方案（指DoubleCheckedLocking示例代碼），我們只需要做一點(diǎn)小的修改（把instance聲明為volatile型），就可以實(shí)現(xiàn)線程安全的延遲初始化。請看下面的示例代碼：

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(xiàn)在沒問題了
            }
        }
        return instance;
    }
}

注意，這個(gè)解決方案需要JDK5或更高版本（因?yàn)閺腏DK5開始使用新的JSR-133內(nèi)存模型規(guī)范，這個(gè)規(guī)范增強(qiáng)了volatile的語義）。

當(dāng)聲明對象的引用為volatile后，“問題的根源”的三行偽代碼中的2和3之間的重排序，在多線程環(huán)境中將會(huì)被禁止。上面示例代碼將按如下的時(shí)序執(zhí)行：

這個(gè)方案本質(zhì)上是通過禁止上圖中的2和3之間的重排序，來保證線程安全的延遲初始化。

JVM在類的初始化階段（即在Class被加載后，且被線程使用之前），會(huì)執(zhí)行類的初始化。在執(zhí)行類的初始化期間，JVM會(huì)去獲取一個(gè)鎖。這個(gè)鎖可以同步多個(gè)線程對同一個(gè)類的初始化。

基于這個(gè)特性，可以實(shí)現(xiàn)另一種線程安全的延遲初始化方案（這個(gè)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 ;  //這里將導(dǎo)致InstanceHolder類被初始化
    }
}

假設(shè)兩個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行g(shù)etInstance()，下面是執(zhí)行的示意圖：

這個(gè)方案的實(shí)質(zhì)是：允許“問題的根源”的三行偽代碼中的2和3重排序，但不允許非構(gòu)造線程（這里指線程B）“看到”這個(gè)重排序。

初始化一個(gè)類，包括執(zhí)行這個(gè)類的靜態(tài)初始化和初始化在這個(gè)類中聲明的靜態(tài)字段。根據(jù)java語言規(guī)范，在首次發(fā)生下列任意一種情況時(shí)，一個(gè)類或接口類型T將被立即初始化：

T是一個(gè)類，而且一個(gè)T類型的實(shí)例被創(chuàng)建；

T是一個(gè)類，且T中聲明的一個(gè)靜態(tài)方法被調(diào)用；

T中聲明的一個(gè)靜態(tài)字段被賦值；

T中聲明的一個(gè)靜態(tài)字段被使用，而且這個(gè)字段不是一個(gè)常量字段；

T是一個(gè)頂級(jí)類（top level class，見java語言規(guī)范的§7.6），而且一個(gè)斷言語句嵌套在T內(nèi)部被執(zhí)行。

在InstanceFactory示例代碼中，首次執(zhí)行g(shù)etInstance()的線程將導(dǎo)致InstanceHolder類被初始化（符合情況4）。

由于java語言是多線程的，多個(gè)線程可能在同一時(shí)間嘗試去初始化同一個(gè)類或接口（比如這里多個(gè)線程可能在同一時(shí)刻調(diào)用getInstance()來初始化InstanceHolder類）。因此在java中初始化一個(gè)類或者接口時(shí)，需要做細(xì)致的同步處理。

Java語言規(guī)范規(guī)定，對于每一個(gè)類或接口C，都有一個(gè)唯一的初始化鎖LC與之對應(yīng)。從C到LC的映射，由JVM的具體實(shí)現(xiàn)去自由實(shí)現(xiàn)。JVM在類初始化期間會(huì)獲取這個(gè)初始化鎖，并且每個(gè)線程至少獲取一次鎖來確保這個(gè)類已經(jīng)被初始化過了（事實(shí)上，java語言規(guī)范允許JVM的具體實(shí)現(xiàn)在這里做一些優(yōu)化，見后文的說明）。

對于類或接口的初始化，java語言規(guī)范制定了精巧而復(fù)雜的類初始化處理過程。java初始化一個(gè)類或接口的處理過程如下（這里對類初始化處理過程的說明，省略了與本文無關(guān)的部分；同時(shí)為了更好的說明類初始化過程中的同步處理機(jī)制，筆者人為的把類初始化的處理過程分為了五個(gè)階段）：

第一階段：通過在Class對象上同步（即獲取Class對象的初始化鎖），來控制類或接口的初始化。這個(gè)獲取鎖的線程會(huì)一直等待，直到當(dāng)前線程能夠獲取到這個(gè)初始化鎖。

假設(shè)Class對象當(dāng)前還沒有被初始化（初始化狀態(tài)state此時(shí)被標(biāo)記為state = noInitialization），且有兩個(gè)線程A和B試圖同時(shí)初始化這個(gè)Class對象。下面是對應(yīng)的示意圖：

下面是這個(gè)示意圖的說明：

|時(shí)間| 線程A| 線程B|
|t1| A1:嘗試獲取Class對象的初始化鎖。這里假設(shè)線程A獲取到了初始化鎖| B1:嘗試獲取Class對象的初始化鎖，由于線程A獲取到了鎖，線程B將一直等待獲取初始化鎖|
|t2| A2：線程A看到線程還未被初始化（因?yàn)樽x取到state == noInitialization），線程設(shè)置state = initializing||
|t3| A3：線程A釋放初始化鎖||

第二階段：線程A執(zhí)行類的初始化，同時(shí)線程B在初始化鎖對應(yīng)的condition上等待：

下面是這個(gè)示意圖的說明：

|時(shí)間| 線程A| 線程B|
|t1| A1:執(zhí)行類的靜態(tài)初始化和初始化類中聲明的靜態(tài)字段| B1：獲取到初始化鎖|
|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(shè)置state = initialized，然后喚醒在condition中等待的所有線程：

下面是這個(gè)示意圖的說明：

|時(shí)間| 線程A|
|t1| A1：獲取初始化鎖|
|t2| A2：設(shè)置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(jié)束類的初始化處理：

下面是這個(gè)示意圖的說明：

|時(shí)間| 線程B|
|t1| B1：獲取初始化鎖|
|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(zhí)行類的初始化，并在第三階段的A4釋放初始化鎖；線程B在第四階段的B1獲取同一個(gè)初始化鎖，并在第四階段的B4之后才開始訪問這個(gè)類。根據(jù)java內(nèi)存模型規(guī)范的鎖規(guī)則，這里將存在如下的happens-before關(guān)系：

這個(gè)happens-before關(guān)系將保證：線程A執(zhí)行類的初始化時(shí)的寫入操作（執(zhí)行類的靜態(tài)初始化和初始化類中聲明的靜態(tài)字段），線程B一定能看到。

第五階段：線程C執(zhí)行類的初始化的處理：

下面是這個(gè)示意圖的說明：

|時(shí)間| 線程C|
|t1| C1：獲取初始化鎖|
|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|

在第三階段之后，類已經(jīng)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(jīng)歷了兩次鎖獲取-鎖釋放，而線程C的類初始化處理只需要經(jīng)歷一次鎖獲取-鎖釋放）。

線程A在第二階段的A1執(zhí)行類的初始化，并在第三階段的A4釋放鎖；線程C在第五階段的C1獲取同一個(gè)鎖，并在在第五階段的C4之后才開始訪問這個(gè)類。根據(jù)java內(nèi)存模型規(guī)范的鎖規(guī)則，這里將存在如下的happens-before關(guān)系：

這個(gè)happens-before關(guān)系將保證：線程A執(zhí)行類的初始化時(shí)的寫入操作，線程C一定能看到。

※注1：這里的condition和state標(biāo)記是本文虛構(gòu)出來的。Java語言規(guī)范并沒有硬性規(guī)定一定要使用condition和state標(biāo)記。JVM的具體實(shí)現(xiàn)只要實(shí)現(xiàn)類似功能即可。

※注2：Java語言規(guī)范允許Java的具體實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化類的初始化處理過程（對這里的第五階段做優(yōu)化），具體細(xì)節(jié)參見java語言規(guī)范的12.4.2章。

通過對比基于volatile的雙重檢查鎖定的方案和基于類初始化的方案，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)基于類初始化的方案的實(shí)現(xiàn)代碼更簡潔。但基于volatile的雙重檢查鎖定的方案有一個(gè)額外的優(yōu)勢：除了可以對靜態(tài)字段實(shí)現(xiàn)延遲初始化外，還可以對實(shí)例字段實(shí)現(xiàn)延遲初始化。

延遲初始化降低了初始化類或創(chuàng)建實(shí)例的開銷，但增加了訪問被延遲初始化的字段的開銷。在大多數(shù)時(shí)候，正常的初始化要優(yōu)于延遲初始化。如果確實(shí)需要對實(shí)例字段使用線程安全的延遲初始化，請使用上面介紹的基于volatile的延遲初始化的方案；如果確實(shí)需要對靜態(tài)字段使用線程安全的延遲初始化，請使用上面介紹的基于類初始化的方案。

Double-checked locking and the Singleton pattern

The Java Language Specification, Java SE 7 Edition

JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification

Java Concurrency in Practice

Effective Java (2nd Edition)

JSR 133 (Java Memory Model) FAQ

The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers

Java theory and practice: Fixing the Java Memory Model, Part 2

感謝方騰飛對本文的審校。

by 程曉明 via ifeve