双重检查加锁 被熟知为“懒汉式”单例模式的实现,下文将统一称之为 DCL。
早期 JVM 中因为同步的开销巨大,为了降低实现单例模式中同步带来的开销,人们想出了很多技巧,DCL 便是其中一种。一段常规的 DCL 实现的单例模式如下:
public class DoubleCheckedLocking {
private static SingleInstance singleInstance;
public static SingleInstance getInstance() {
if (singleInstance == null) {
synchronized (DoubleCheckedLocking.class) {
if (singleInstance == null) {
singleInstance == new SingleInstance();
}
}
}
}
}
1. 描述
DCL 主要是为了使用延迟初始化来降低“饿汉式”单例模式对 JVM 启动时的性能影响,为了方便解释其中存在的问题,这里将上面代码块中的两个 if
语句分别成为 if.1
和 if.2
。
2. 情景
假设此时有两个线程 A 和 B 都需要获取 SingleInstance,并且 A 线程进入到 if.2
内,B 线程刚开始 if.1
的判断。也就是说,在 A 线程在执行初始化的过程中,B 线程读取了线程间共享变量(singleInstance)。这种情况下,B 线程很有可能读取到一个初始化并未完成的非空的引用(singleInstance 被部分构造,产生原因后面会有讨论)。
比如 SingleInstance 对象中有一个字段 id:String
,并且在构造函数中为该字段进行赋值。在上文描述的情况下就是:singleInstance 实例已经是一个非空的引用,new SingleInstance("110") 操作已经生效,但是并没有全部完成。singleInstance.getId() 返回的仍然是 null
,而不是构造函数中传入的 ”110“。
这种情况下,B 线程不会再创建重复的实例,但是会拿着一个无效的对象进行后续操作,可能会在程序中造成更严重的错误。
3. 为什么会出现部分构造的对象
简单来说是因为无序写入(out-of-order writes)。
如果构造函数写入非 final 字段,则不必立即将它们提交到内存,甚至可以在单例变量之后提交。构造函数其实已经完成,但这并不意味着所有写入对其它线程可见。
部分构造就是这种情况的一个糟糕体现,singleInstance 引用已对其它线程可见,但对象的内容singleInstance.getId() 对其它线程并不可见。就是因为对象构造过程中一系列指令写入内存的乱序,导致了失效对象的产生。
4. 解决方法
在 Java 5.0 之后,使用 volatile 来修饰 singleInstance 实例,就不会产生指令重排序的情况,这样 DCL 也就可以正常工作了。
但因为有了更加方便与安全的替代方式,DCL 也没有什么特别的优势,便被废弃了。
5. 延迟初始化占位类模式
使用延迟初始化占位类模式,可以在保证延迟加载优点的同时,得到 Java 语言层面提供的安全保障。有兴趣的同学可以搜一下,资料很多。当然也包括 Java 内存模型相关,可以了解到更多 out-of-order writes 相关的原理。