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[Java教程]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;  }}

在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:

public class DoubleCheckedLocking {           //1  private static Instance instance;          //2  public static Instance getInstance() {        //3    if (instance == null) {             //4:第一次检查      synchronized (DoubleCheckedLocking.class) { //5:加锁        if (instance == null)          //6:第二次检查          instance = new Instance();      //7:问题的根源出在这里      }                      //8    }                        //9    return instance;                 //10  }                          //11}                            //12

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:

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:

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,此时对象还没有被初始化!ctorInstance(memory); //2:初始化对象

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 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:

时间

线程A

线程B

t1

A1:分配对象的内存空间

 

t2

A3:设置instance指向内存空间

 

t3

 

B1:判断instance是否为空

t4

 

B2:由于instance不为null,线程B将访问instance引用的对象

t5

A2:初始化对象

 

t6

A4:访问instance引用的对象

 

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:

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为volatile,现在没问题了      }    }    return instance;  }}

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):

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(),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:

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看到线程还未被初始化(因为读取到state == noInitialization),线程设置state = initializing

 

t3

A3:线程A释放初始化锁

 

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:

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

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:

时间

线程A

t1

A1:获取初始化锁

t2

A2:设置state = initialized

t3

A3:唤醒在condition中等待的所有线程

t4

A4:释放初始化锁

t5

A5:线程A的初始化处理过程完成

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:

时间

线程B

t1

B1:获取初始化锁

t2

B2:读取到state == initialized

t3

B3:释放初始化锁

t4

B4:线程B的类初始化处理过程完成

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:

时间

线程B

t1

C1:获取初始化锁

t2

C2:读取到state == initialized

t3

C3:释放初始化锁

t4

C4:线程C的类初始化处理过程完成

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。

参考文献

  1. Double-checked locking and the Singleton pattern
  2. The Java Language Specification, Java SE 7 Edition
  3. JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification
  4. Java Concurrency in Practice
  5. Effective Java (2nd Edition)
  6. JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
  7. The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers
  8. Java theory and practice: Fixing the Java Memory Model, Part 2

双重检查锁定与延迟初始化