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速读原著-双重检查锁定与延迟初始化

双重检查锁定与延迟初始化

在Java 程序中,有时候可能需要推迟一些高开销的对象初始化操作,并且只有在使用这些对象时才进行初始化。此时程序员可能会采用延迟初始化。但要正确实现线程安全的延迟初始化需要一些技巧,否则很容易出现问题。比如,下面是非线程安全的延迟初始化对象的示例代码:

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;
            }
        }

    }

UnsafeLazyInitialization 中,假设 A 线程执行代码 1 的同时,B 线程执行代码 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(出现这种情况的原因见后文的“问题的根源”)。

对于UnsafeLazyInitialization,我们可以对getInstance()做同步处理来实现线程安全的延迟初始化。示例代码如下:

    public class SafeLazyInitialization {
        private static Instance instance;


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

由于对 getInstance()做了同步处理,synchronized 将导致性能开销。如果 getInstance()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()不会被多个线程频繁的调用,那么这个延迟初始化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)存在这巨大的性能开销。因此, 人们想出了一个“聪明”的技巧:双重检查锁定(double-checked locking)。人们想通过双重检查锁定来降低同步的开销。下面是使用双重检查锁定来实现延迟初始化的示例代码:

如上面代码所示,如果第一次检查instance 不为null,那么就不需要执行下面的加锁和初始化操 作。因此可以大幅降低 synchronized 带来的性能开销。上面代码表面上看起来,似乎两全其美:

  • 在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()将不需要获取锁,直接返回已创建好的对象。

双重检查锁定看起来似乎很完美,但这是一个错误的优化!在线程执行到第 4 行代码读取到 instance 不为 null 时,instance 引用的对象有可能还没有完成初始化。

问题的根源

前面的双重检查锁定示例代码的第 7 行(instance = new Singleton();)创建一个对象。这一行代码可以分解为如下的三行伪代码:

上面三行伪代码中的 2 和 3 之间,可能会被重排序(在一些JIT 编译器上,这种重排序是真实发生的,详情见参考文献 1 的“Out-of-order writes”部分)。2 和 3 之间重排序之后的执行时序如下:

根据 The Java Language Specification, Java SE 7 Edition(后文简称为Java 语言规范),所有线程在执行Java 程序时必须要遵守 intra-thread semanticsintra-thread semantics 保证重排序不会改变单线程内的程序执行结果。换句话来说,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。上面三行伪代码的 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的执行结果的前提下,可以提高程序的执行性能。

为了更好的理解 intra-thread semantics,请看下面的示意图(假设一个线程 A 在构造对象后,立即访问这个对象):

如上图所示,只要保证 2 排在 4 的前面,即使 2 和 3 之间重排序了,也不会违反 intra-thread semantics。

下面,再让我们看看多线程并发执行的时候的情况。请看下面的示意图:

由于单线程内要遵守 intra-thread semantics,从而能保证 A 线程的程序执行结果不会被改变。但是当线程A 和B 按上图的时序执行时,B 线程将看到一个还没有被初始化的对象。

注:本文统一用红色的虚箭线标识错误的读操作,用绿色的虚箭线标识正确的读操作

回到本文的主题,DoubleCheckedLocking 示例代码的第 7 行(instance = new Singleton();)如果发生重排序,另一个并发执行的线程B 就有可能在第 4 行判断instance 不为null。线程B 接下来将访问 instance 所引用的对象,但此时这个对象可能还没有被 A 线程初始化!下面是这个场景的具体执行时序:

这里 A2 和 A3 虽然重排序了,但 Java 内存模型的 intra-thread semantics 将确保 A2 一定会排在A4 前面执行。因此线程 A 的 intra-thread semantics 没有改变。但 A2 和 A3 的重排序,将导致线程 B 在 B1 处判断出 instance 不为空,线程 B 接下来将访问 instance 引用的对象。此时,线程 B 将会访问到一个还未初始化的对象。

在知晓了问题发生的根源之后,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。后文介绍的两个解决方案,分别对应于上面这两点。

基于volatile 的双重检查锁定的解决方案

对于前面的基于双重检查锁定来实现延迟初始化的方案(指 DoubleCheckedLocking 示例代码), 我们只需要做一点小的修改(把 instance 声明为 volatile 型),就可以实现线程安全的延迟初始化。请看下面的示例代码:

注意,这个解决方案需要 JDK5 或更高版本(因为从 JDK5 开始使用新的 JSR-133 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,“问题的根源”的三行伪代码中的 2 和 3 之间的重排序,在多线程环境中将会被禁止。上面示例代码将按如下的时序执行:

这个方案本质上是通过禁止上图中的 2 和 3 之间的重排序,来保证线程安全的延迟初始化。

基于类初始化的解决方案

JVM 在类的初始化阶段(即在 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(这个方案被称之为 Initialization On Demand Holder idiom):

假设两个线程并发执行 getInstance(),下面是执行的示意图:

这个方案的实质是:允许“问题的根源”的三行伪代码中的 2 和 3 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。

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:

  • T 是一个类,而且一个T 类型的实例被创建;
  • T 是一个类,且T 中声明的一个静态方法被调用;
  • T 中声明的一个静态字段被赋值;
  • 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;\
  • T 是一个顶级类(top level class,见Java 语言规范的§7.6 ),而且一个断言语句嵌套在T 内部被执行。

在 InstanceFactory 示例代码中,首次执行 getInstance()的线程将导致 InstanceHolder 类被初始化 (符合情况 4)。

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在同一时刻调用 getInstance()来初始化 InstanceHolder 类)。因此在 Java 中初始化一个类或者接口时,需要做细致的同步处理。

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 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,见后文的说明)。

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,省略了与本文无关的部分;同时为了更好的说明类初始化过程中的同步处理机制,笔者人为的把类初始化的处理过程分为了五个阶段):

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。下面是对应的示意图:

下面是这个示意图的说明:

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:

下面是这个示意图的说明:

第三阶段:线程A 设置 state = initialized,然后唤醒在 condition 中等待的所有线程:

下面是这个示意图的说明:

第四阶段:线程B 结束类的初始化处理:

下面是这个示意图的说明:

线程A 在第二阶段的 A1 执行类的初始化,并在第三阶段的A4 释放初始化锁;线程B 在第四阶段的 B1 获取同一个初始化锁,并在第四阶段的 B4 之后才开始访问这个类。根据 java 内存模型规范的锁规则,这里将存在如下的 happens-before 关系:

这个 happens-before 关系将保证:线程 A 执行类的初始化时的写入操作(执行类的静态初始化和初始化类中声明的静态字段),线程B 一定能看到。 第五阶段:线程C 执行类的初始化的处理:

下面是这个示意图的说明:

在第三阶段之后,类已经完成了初始化。因此线程 C 在第五阶段的类初始化处理过程相对简单一些(前面的线程A 和B 的类初始化处理过程都经历了两次锁获取-锁释放,而线程C 的类初始化处理只需要经历一次锁获取-锁释放)。

线程 A 在第二阶段的 A1 执行类的初始化,并在第三阶段的 A4 释放锁;线程 C 在第五阶段的C1 获取同一个锁,并在在第五阶段的 C4 之后才开始访问这个类。根据 Java 内存模型规范的锁规则,这里将存在如下的happens-before 关系:

这个 happens-before 关系将保证:线程A 执行类的初始化时的写入操作,线程C 一定能看到。

注 1:这里的 condition 和 state 标记是本文虚构出来的。Java 语言规范并没有硬性规定一定要使用 condition 和 state 标记。JVM 的具体实现只要实现类似功能即可。

注 2:Java 语言规范允许 Java 的具体实现,优化类的初始化处理过程(对这里的第五阶段做优化),具体细节参见 Java 语言规范的 12.4.2 章。

通过对比基于 volatile 的双重检查锁定的方案和基于类初始化的方案,我们会发现基于类初始化的方案的实现代码更简洁。但基于 volatile 的双重检查锁定的方案有一个额外的优势:除了可以对静态字段实现延迟初始化外,还可以对实例字段实现延迟初始化。

总结

延迟初始化降低了初始化类或创建实例的开销,但增加了访问被延迟初始化的字段的开销。在大多数时候,正常的初始化要优于延迟初始化。如果确实需要对实例字段使用线程安全的延迟初始化,请使用上面介绍的基于 volatile 的延迟初始化的方案;如果确实需要对静态字段使用线程安全的延迟初始化,请使用上面介绍的基于类初始化的方案。

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