面試官：雙重檢查鎖為什么要使用 volatile 字段?
雙重鎖的由來
單例模式中，有一個DCL(雙重鎖)的實現(xiàn)方式。在Java程序中，有時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才開始初始化。
下面是非線程安全的延遲初始化對象的實例代碼。
/**
* @author
*/
public class Instance {
}
/**
* 非線程安全的延遲初始化對象
*
* @author
*/
public class UnsafeLazyInitialization {
private static Instance instance;
public static Instance getInstance() {
if (null == instance) {
instance = new Instance();
}
return instance;
}
}
在UnsafeLazyInitialization類中，假設(shè)A線程執(zhí)行代碼1的同時，B線程執(zhí)行代碼2。此時，線程A可能會看到instance引用對象還沒有完成初始化。
對于UnsafeLazyInitialization類，我們可以對getInstance()方法做同步處理來實現(xiàn)線程安全的延遲初始化。
示例代碼如下。
/**
* 安全的延遲初始化
*
* @author
*/
public class SafeLazyInitialization {
private static Instance instance;
public synchronized static Instance getInstance() {
if (null == instance) {
instance = new Instance();
}
return instance;
}
}
由于對getInstance()方法做了同步處理，synchronized將導(dǎo)致性能開銷。如果getInstance()方法被多個線程頻繁的調(diào)用，將會導(dǎo)致程序執(zhí)行性能的下降。
反之，如果getInstance()方法不會被多個線程頻繁的調(diào)用，那么這個延遲初始化方案將能提供令人滿意的性能。
后來，提出了一個“聰明”的技巧：雙重檢查鎖定（Double-Checked Locking)。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(xiàn)延遲初始化的實例代碼。
/**
* 雙重檢查鎖定
*
* @author
*/
public class DoubleCheckedLocking {
private static Instance instance;
public static Instance getInstance() {
if (null == instance) { //1.第一次檢查
synchronized (DoubleCheckedLocking.class) { //2.加鎖
if (null == instance) { //3：第二次檢查
instance = new Instance(); //4.問題的根源出在這里
}
}
}
return instance;
}
}
雙重檢查鎖定看起來似乎很完美，但這是一個錯誤的優(yōu)化！
在線程執(zhí)行到第1處，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實例代碼的第4處（instance = new Instance();)創(chuàng)建了一個對象。這一行代碼可以分解為如下的3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3行偽代碼中的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(fā)生的），2和3之間重排序之后的執(zhí)行時序如下：
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，此時對象還沒有被初始化！
ctorInstance(memory); //2.初始化對象多線程執(zhí)行時序表
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
在知曉了問題發(fā)生的根源之后，我們可以想出兩個方法來實現(xiàn)線程安全的延遲初始化。
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。
后文介紹的兩個解決方案，分別對應(yīng)于上面這兩點。
解決方案一
基于volatile的解決方案
/**
* 安全的雙重檢查鎖定
*
* @author
*/
public class SafeDoubleCheckedLocking {
private volatile static Instance instance;
public static Instance getInstance() {
if (null == instance) {
synchronized (SafeDoubleCheckedLocking.class) {
if (null == instance) {
instance = new Instance();//instance為volatile，現(xiàn)在沒有問題了。
}
}
}
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內(nèi)存模型規(guī)范，這個規(guī)范增強了volatile的語義）。
當(dāng)聲明對象的引用為volatile后，3行偽代碼中的2和3之間的重排序，在多線程環(huán)境中將會被禁止。
解決方案二
基于類初始化的解決方案
JVM在類的初始化階段（即在Class被加載后，且被線程使用之前），會執(zhí)行類的初始化。
在執(zhí)行類的初始化期間，JVM會去獲取一個鎖.這個鎖可以同步多個線程對同一個類的初始化。
基于這個特性，可以實現(xiàn)另一種線程安全的延遲初始化方案（這個方案被稱之為Initialization On Demand Holder idiom)。
public class InstanceFactory {
private static class InstanceHolder {
private static Instance instance = new Instance();
}
public static Instance getInstance() {
return InstanceHolder.instance; //這里將導(dǎo)致InstanceHolder類被初始化
}
}
字段延遲初始化降低了初始化類或創(chuàng)建實例的開銷，但增加了訪問被延遲初始化的字段的開銷。
在大多數(shù)時候，正常的初始化要優(yōu)于延遲初始化。如果確實需要對實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。
End
作者：老男孩
來源：
https://blog.51cto.com/14230003/2454764