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 xiaoshu
 */
public class Instance {
}

/**
 * 非線程安全的延遲初始化對象
 *
 * @author xiaoshu
 */
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 xiaoshu
 */
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將導致性能開銷。如果getInstance()方法被多個線程頻繁的調用，將會導致程序執行性能的下降。反之，如果getInstance()方法不會被多個線程頻繁的調用，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延遲初始化的實例代碼。

/**
 * 雙重檢查鎖定
 *
 * @author xiaoshu
 */
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化！在線程執行到第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.分配對象的內存空間
ctorInstance(memory); //2.初始化對象
instance = memory;        //3.設置instance指向剛分配的內存地址

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生的），2和3之間重排序之后的執行時序如下：

memory = allocate();    //1.分配對象的內存空間
instance = memory;        //3.設置instance指向剛分配的內存地址
                                            //注意，此時對象還沒有被初始化！
ctorInstance(memory); //2.初始化對象

多線程執行時序表

在知曉了問題發生的根源之后，我們可以想出兩個方法來實現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 xiaoshu
 */
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內存模型規范，這個規范增強了volatile的語義）。

當聲明對象的引用為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），會執行類的初始化。在執行類的初始化期間，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)。

/**
 * 基于類初始化的解決方案
 *
 * @author xiaoshu
 */
public class InstanceFactory {
    private static class InstanceHolder {
        private static Instance instance = new Instance();
    }

    public static Instance getInstance() {
        return InstanceHolder.instance; //這里將導致InstanceHolder類被初始化
    }
}

字段延遲初始化降低了初始化類或創建實例的開銷，但增加了訪問被延遲初始化的字段的開銷。在大多數時候，正常的初始化要優于延遲初始化。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。