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：

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。

参考资料

1. 方腾飞：《Java并发编程的艺术》