Java 双检锁问题

来源：《The "Double-Checked Locking is Broken" Declaration》

 

1. 单例模式的简单实现

// 只支持单线程的版本
class Foo {
    private Helper helper = null;
    public Helper getHelper() {
        if (helper == null) 
            helper = new Helper();
        return helper;
    }
}

在多线程的情况下，可能会生成多个Helper实例。

 

 

2. 同步getHelper方法

// 支持多线程的版本
class Foo {
    private Helper helper = null;
    public synchronized Helper getHelper() {
        if (helper == null) 
            helper = new Helper();
        return helper;
    }
}

 getHelper()方法被标记为synchronized后，JVM会只允许同时只有一个线程能执行getHelper方法。所以不会产生多个Helper实例。但是同步的开销会导致多线程执行效率降低。

 

 

3. 一种错误的双检锁方法

// 一种错误的双检锁方法
class Foo {
    private Helper helper = null;
    public Helper getHelper() {
        if (helper == null) 
            synchronized(this) {
                if (helper == null) 
                    helper = new Helper();
            }
        return helper;
    }
}

 为什么是错的？

原因：在 helper = new Helper(); 这句中有两个主要操作。一是创建Helper的一个实例，二是将这个新创建的Helper实例的引用赋给helper这个字段。编译器规定这两个操作的顺序可能是先赋值实例的引用，后执行Helper实例内部的初始化构建。这可能导致另一线程在调用getHelper()方法时，因为helper字段不为null，所以开始使用helper所指的实例，而该实例的初始化工作却仍在前一线程中处于未完成状态，这就导致第二个线程使用了一个“坏”的Helper。

即使编译器事先规定了先构建实例后赋值，在一个多处理器系统中，处理器和内存系统还是有可能颠倒这两个操作的顺序。

 

4. 另一种错误的双检锁方法

// 另一种错误的双检锁方法
class Foo {
    private Helper helper = null;wei
    public Helper getHelper() {
        if (helper == null) {
            Helper h;
            synchronized(this) {
                h = helper;
                if (h == null) 
                    synchronized (this) {
                        h = new Helper();
                    }  // 释放内部的 synchronized 锁
                helper = h;
            }
        }
        return helper;
    }
}

 为什么是错的？

原因：退出监控（monitorexit）（如释放 sychronized 锁）的规则是“在 monitorexit 前的操作必须在释放锁之前执行”。但是没有规则保证“在 monitorexit 后的操作必须在释放锁之后才能执行”。也就是说编译器可能会把 helper = h; 这句移到内部的 synchronized 代码块内。这就又回到了3中的情况，即其它线程可能拿到一个“坏”的未完工的Helper实例。

注：在.Net CLR中情况有所不同。在CLR中，任何锁方法的调用都构成了一个完整的内存栅栏，在栅栏之前写入的任何变量都必须在栅栏之前完成；在栅栏之后的任何变量读取都必须在栅栏之后开始。

 

同步用的越多，越有可能导致性能问题，也增大了出错的可能。

另外每个处理器都缓存了的变量值的备份，在某些类型的处理器中，即使其它处理器利用内存栅栏（memory barriers）将新值写入了共享内存，因为处理器用的是它自己的备份值，还是会认为helper值为null，导致新建了Helper实例，并使用了这个新实例。（Alpha处理器）

 

5. 可以对32位的原始类型数据变量用双检锁（如int和float）

因为原始类型数据的变量存的就是值本身，所以对它赋值就直接改了变量内容。但是64位的原始类型数据变量，如long和double，就无法保证该操作的原子性。

class Foo { 
    private int cachedHashCode = 0;
    public int hashCode() {
        int h = cachedHashCode;
        if (h == 0) 
            synchronized(this) {
                if (cachedHashCode != 0) return cachedHashCode;
                h = computeHashCode();
                cachedHashCode = h;
            }
        return h;
    }
}

 

6. 利用volatile的双检锁方法

从JDK5开始，volatile严格地限制了变量的读写顺序，不允许重排。

class Foo {
    private volatile Helper helper = null;
    public Helper getHelper() {
        if (helper == null) {
            synchronized(this) {
                if (helper == null)
                    helper = new Helper();
            }
        }
        return helper;
    }
}

对不可变对象（Immutable Objects）引用的读写都是原子性的操作。所以如果Helper是不可变对象，如String和Integer，可以不用volatile关键字。

 

7. 总结：

尽量参考使用已有的最佳实践，不要自己去发明。

一门合适的编程语言应该是优雅的。如果发现已有的问题很难用优雅的方式解决，要么换一种语言，要么发出声音，让开发这门语言的人从源头改进该语言。

对于绝大多数只是使用语言的你，不要为了研究语言而研究，应该基于现有的业务问题去研究。多接触各种业务，自然就会多遇到各种问题，自然有机会学得更多。

 

《C# 单例模式整理》

《Safe Publication and Safe Initialization in Java》