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【死磕Java并发】—–Java内存模型之从JMM角度分析DCL

DCL,即Double Check Lock,中卫双重检查锁定。其实DCL很多人在单例模式中用过,LZ面试人的时候也要他们写过,但是有很多人都会写错。他们为什么会写错呢?其错误根源在哪里?有什么解决方案?下面就随LZ一起来分析

问题分析

我们先看单例模式里面的懒汉式:

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance(){
        if(singleton == null){
            singleton = new Singleton();
        }
        
        return singleton;
    }
}

我们都知道这种写法是错误的,因为它无法保证线程的安全性。优化如下:

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton(){}
    
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(singleton == null){
            singleton = new Singleton();
        }
        
        return singleton;
    }
}

优化非常简单,就是在getInstance方法上面做了同步,但是synchronized就会导致这个方法比较低效,导致程序性能下降,那么怎么解决呢?聪明的人们想到了双重检查 DCL:

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        if(singleton == null){                              // 1
            synchronized (Singleton.class){                 // 2
                if(singleton == null){                      // 3
                    singleton = new Singleton();            // 4
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

就如上面所示,这个代码看起来很完美,理由如下:

  • 如果检查第一个singleton不为null,则不需要执行下面的加锁动作,极大提高了程序的性能;
  • 如果第一个singleton为null,即使有多个线程同一时间判断,但是由于synchronized的存在,只会有一个线程能够创建对象;
  • 当第一个获取锁的线程创建完成后singleton对象后,其他的在第二次判断singleton一定不会为null,则直接返回已经创建好的singleton对象;

通过上面的分析,DCL看起确实是非常完美,但是可以明确地告诉你,这个错误的。上面的逻辑确实是没有问题,分析也对,但是就是有问题,那么问题出在哪里呢?在回答这个问题之前,我们先来复习一下创建对象过程,实例化一个对象要分为三个步骤:

  1. 分配内存空间
  2. 初始化对象
  3. 将内存空间的地址赋值给对应的引用

但是由于重排序的缘故,步骤2、3可能会发生重排序,其过程如下:

  1. 分配内存空间
  2. 将内存空间的地址赋值给对应的引用
  3. 初始化对象

如果2、3发生了重排序就会导致第二个判断会出错,singleton != null,但是它其实仅仅只是一个地址而已,此时对象还没有被初始化,所以return的singleton对象是一个没有被初始化的对象,如下:

DCL00001_2

按照上面图例所示,线程B访问的是一个没有被初始化的singleton对象。

通过上面的阐述,我们可以判断DCL的错误根源在于步骤4:

singleton = new Singleton();

知道问题根源所在,那么怎么解决呢?有两个解决办法:

  1. 不允许初始化阶段步骤2 、3发生重排序。
  2. 允许初始化阶段步骤2 、3发生重排序,但是不允许其他线程“看到”这个重排序。

解决方案

解决方案依据上面两个解决办法即可。

基于volatile解决方案

对于上面的DCL其实只需要做一点点修改即可:将变量singleton生命为volatile即可:

public class Singleton {
    //通过volatile关键字来确保安全
    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        if(singleton == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if(singleton == null){
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

当singleton声明为volatile后,步骤2、步骤3就不会被重排序了,也就可以解决上面那问题了。

基于类初始化的解决方案

该解决方案的根本就在于:利用classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程。JVM在类初始化阶段会获取一个锁,这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化

public class Singleton {
    private static class SingletonHolder{
        public static Singleton singleton = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.singleton;
    }
}

这种解决方案的实质是:运行步骤2和步骤3重排序,但是不允许其他线程看见。

Java语言规定,对于每一个类或者接口C,都有一个唯一的初始化锁LC与之相对应。从C到LC的映射,由JVM的具体实现去自由实现。JVM在类初始化阶段期间会获取这个初始化锁,并且每一个线程至少获取一次锁来确保这个类已经被初始化过了。

singleton

参考资料

  1. 方腾飞:《Java并发编程的艺术》

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