Java Concurrent

Publish Date: 2022-03-03

Update Date: 2022-03-03

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双重检查锁定与延迟初始化

Java 多线程中，有时候需要采用延迟初始化来降低初始化类和创建对象的开销。

双重检查锁定 是常见的延迟初始化技术，但它是一个错误的用法。

1、双重检查锁定的由来

Java 程序中，有些对象的创建开销比较大，这时需要推迟这些高开销对象的初始化操作，并且只有在使用该对象时才进行初始化。

比如下面的非线程安全的初始化代码：

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;    
    }
}

假设线程 A 执行 1，同时线程 B 执行 2，此时线程 A 可能会看到 instance 引用的对象还没有完成初始化（因为存在重排序）。

下面对 getInstance 方法做同步处理：

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

但是这也会带来性能开销的问题。如果 getInstance 方法被多个线程频繁的调用，将会导致程序执行性能的下降。反之，如果 getInstance 不被多个线程频繁调用，那么这个延迟初始化的方案将能提供令人满意的性能。

在早期的 JVM 中，synchronized （甚至是无竞争的 synchronized）存在巨大的性能开销。因此，人们想出了另一种方式：双重检查锁定（Double-Checked Locking），利用它来降低同步的开销，代码如下：

public class DoubleCheckedLocking {
 
    private static Instance instance;
    
    private static Instance instance() {                    // 1
        if (instance == null) {                             // 2 第一次检查
            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) {     // 3 加锁
                if (instance == null)                       // 4 第二次检查
                    instance = new Instance();              // 5 问题的根源出现在这里
            }                                               // 6
        }                                                   // 7
        return instance;                                    // 8
    }
}

如果第一次检查 instance 不为 null，就可以不需要执行下面的加锁和初始化操作，因此，可以大幅度降低 synchronized 带来的性能开销。

从表明上看起来，似乎两全其美：

多个线程试图在同一时间创建对象时，会通过加锁来保证只有一个线程能创建对象；
在对象创建好之后，执行 getInstance() 方法将不需要获取锁，直接返回已经创建好的对象。

双重检查锁定看起来很完美，但这是一个错误的优化，在线程执行到第 4 步时，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。

2、双重检查锁定的问题

在前面代码的第 5 步做了这样的处理：instance = new Instance()，创建了一个对象，这行代码可以分解为如下的 3 行伪代码：

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

上面伪代码的 2 和 3 之间可能存在重排序（在某些 JIT 编译器上，这种重排序是真实存在的）。

2 和 3 之间重排序之后的执行时序如下：

memory = allocate();			// 1. 分配对象的内存空间
instance = memory;				// 3. 设置 instance 指向刚分配的内存地址
								// 注意：此时对象还没有完成初始化
ctorInstance(memory);			// 2. 初始化对象

在 Java 语言规范中，所有线程在执行 Java 程序时必须要遵守 intra-thread semantics。intra-thread semantics 保证重排序不会改变单线程内的程序执行结果。

换句话说，intra-thread semantics 允许那些在单线程内，不会改变单线程程序执行结果的重排序。

上面 3 行伪代码的 2 和 3 之间虽然被重排序了，但这个重排序并不会违反 intra-thread semantics。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。

单线程执行时序

只要 2 排在 4 之前，即使 2 和 3 发生了重排序，也不会违反 intra-thread semantics。

多线程执行时序

和单线程不一样，多线程环境下，当线程 A 和线程 B 以上图所示的时序执行时，B 线程将看到一个还没有被初始化的对象。

分析一下，可以看到在线程 B 执行第一次检查时判断通过了，这是因为 instance 已经指向了内存地址，但是当线程 B 初次访问对象时却发生了问题，这是因为此时这个对象还没有被线程 A 完成初始化。

这种情况下 2 和 3 发生了重排序，但是 JMM 的 intra-thread semantics 保证了 2 一定会排在 4 前面执行。

找到了问题发生的根源后，我们可以想出两个办法来实现线程安全的延迟初始化：

（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。

下面分别介绍两种解决方法。

3、基于 volatile 的解决方案

对前面的代码做一些小小的修改（用 volatile 修饰），代码如下：

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

这个解决方案需要 JDK 5 或更高版本的支持（因为从 JDK 5 开始使用 JSR-133 提出的内存模型规范，这个规范增强了 volatile 的语义）。

当声明对象的引用为 volatile 后，前面的 3 行伪代码的 2 和 3 的重排序，在多线程环境中将会被禁止。具体的执行时序如下：

现在上图存在两个规则：

intra-thread semantics 规则使 2 happens-before 4；
volatile 内存语义规定 2 happens-before 3。

最终禁止了 2 和 3 的重排序，从而保证了线程安全的延迟初始化。

4、基于类初始化的解决方案

（1）解决方案

JVM 在类的初始化阶段（即 Class 被加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，JVM 会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。

基于这个特性，可以实现另一种线程安全的延迟初始化方案（Initialization On Demand Holder idiom）。

代码如下：

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。 
    }
}

假设两个线程并发执行 getInstance 方法，下面是执行的示意图：

这个方案的实质是：允许 2 和 3 的重排序，但不允许非构造线程（这里指线程 B） “看到” 这个重排序。

（2）类的初始化

初始化一个类，包括执行这个类的静态初始化和初始化在这个类中声明的静态字段。根据 Java 语言规范，在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），而且一个断言语句嵌套在 T 内部被执行；

顶级类其实就是和文件名一致的类，比如 Foo.java 中声明了一个 Foo 类，那么 Foo 就是 Top Level Class。

顶级类参见：

https://stackoverflow.com/questions/41714579/what-is-a-top-level-class-in-java

https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-8.html

在 InstanceFactory 实例代码中，首次执行 getInstance() 方法的线程将会导致 InstanceHolder 被初始化，这符合之前提到的条件 4，类的一个静态字段被使用，而且这个字段不是一个常量字段，此时该类将被初始化。

由于 Java 语言是多线程的，多个线程可能在同一时间尝试去初始化同一个类或接口（比如这里多个线程可能会在同一时间调用 getInstance() 方法来初始化 InstanceHolder 类）。因此，在 Java 中如果涉及到初始化一个类或接口时，必须做细致的同步处理。

Java 语言规范规定，对于每一个类或接口 C，都有一个唯一的初始化锁 LC 与之对应。从 C 到 LC 的映射，由 JVM 的具体实现去自由实现。JVM 会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（事实上，Java 语言规范允许 JVM 的具体实现在这里做一些优化）。

对于类或接口的初始化，Java 语言规范制定了精巧而复杂的类初始化处理过程。Java 初始化一个类或接口的处理过程如下（这里对类初始化处理过程的说明，省略了和本文无关的部分；同时为了更好的说明类初始化过程中的同步处理机制，这里将其分为 5 个阶段。

注意：

下面的五个阶段只是简单的说明，其中类的 state 标记和锁的 condition 都是虚构出来的，Java 语言规范并没有硬性规定一定要使用它们。JVM 的具体实现只需要实现类似功能即可。

4.1、第一阶段

第一阶段：通过在 Class 对象上同步（即获取 Class 对象的初始化锁），来控制类或接口的初始化。这个获取锁的线程会一直等待，直到当前线程能够获取到这个初始化锁。

假设 Class 对象当前还没有被初始化（初始化状态 state，此时已经被标记为 state=noInitialization，且有两个线程 A 和 B 试图同时初始化这个 Class 对象，如下图：

时间	线程 A	线程 B
t1	A1：尝试获取 Class 对象的初始化锁。这里假设线程 A 获取到了初始化锁	B1：尝试获取 Class 对象的初始化锁，由于线程 A 获取到了锁，线程 B 将一直等待获取初始化锁
t2	A2：线程 A 看到 Class 对象还未被初始化（因为读取到 `state=noInitialization`），线程设置 `state=initializing`
t3	A3：线程 A 释放初始化锁

4.2、第二阶段

第二阶段：线程 A 执行类的初始化，同时线程 B 在初始化锁对应的 condition 上等待。

时间	线程 A	线程 B
t1	A1：执行类的静态初始化和初始化类中声明的静态字段	B1：获取到初始化锁
t2		B2：读取到 `state = initializing`
t3		B3：释放初始化锁
t4		B4：在初始化锁的 `condition` 中等待