Double-checked locking and lazy initialization

双重检查锁定的由来

在Java程序中，有时需要推迟一些高开销的对象的初始化操作，并且只有在真正使用到这个对象的时候，才进行初始化，此时，就需要延迟初始化技术。

延迟初始化的正确实现是需要一些技巧的，否则容易出现问题，下面一一介绍。

方案1

public class UnsafeLazyInit{ 
private static Instance instance; 
 
  public static Instance getInstance(){ 
    if (instance == null){ 
         instance = new Instance(); 
     } 
     return instance; 
 } 
}

这种做法的错误是很明显的，如果两个线程分别调用getInstance，由于对共享变量的访问没有做同步，很容易出现下面两种情况：

1.线程A和B都看到instance没有初始化，于是分别进行了初始化。

2.instance=new Instance操作被重排序，实际执行过程可能是：先分配内存，然后赋值给instance，最后再执行初始化。如果是这样的话，其他线程可能就会读取到尚未初始化完成的instance对象。

方案2

public class UnsafeLazyInit{ 
private static Instance instance; 
 
public static synchronized Instance getInstance(){ 
    if (instance == null){ 
         instance = new Instance(); 
     } 
     return instance; 
 } 
}

这种做法的问题是很明显的，每一次读取instance都需要同步，可能会对性能产生较大的影响。

方案3

方案3是一个错误的双重检测加锁实现，看代码：

public class UnsafeLazyInit{ 
private static Instance instance; 
 
public static Instance getInstance(){ 
    if (instance == null){ 
         synchronized(UnsafeLazyInit.classs){ 
             if (instance == null){ 
                  instance = new Instance(); 
               } 
          } 
     } 
     return instance; 
  } 
}

这种方案看似解决了上面两种方案都存在的问题，但是也是有问题的。

问题根源

instance = new Instance();

这一条语句在实际执行中，可能会被拆分程三条语句，如下：

memory = allocate(); 
ctorInstance(memory); //2 
instance = memory; //3

根据重排序规则，后两条语句不存在数据依赖，因此是可以进行重排序的。

重排序之后，就意味着，instance域在被赋值了之后，指向的对象可能尚未初始化完成，而instance域是一个静态域，可以被其他线程读取到，那么其他线程就可以读取到尚未初始化完成的instance域。

基于volatile的解决方案

要解决这个办法，只需要禁止语句2和语句3进行重排序即可，因此可以使用volatile来修改instance就能做到了。

private volatile static Instance instance;

因为Volatile语义会禁止编译器将volatile写之前的操作重排序到volatile之后。

基于类初始化的解决方案

Java语言规范规定，对于每一个类或者接口C ，都有一个唯一的初始化锁LC与之对应，从C到LC的映射，由JVM实现。每个线程在读取一个类的信息时，如果此类尚未初始化，则尝试获取LC去初始化，如果获取失败则等待其他线程释放LC。如果能获取到LC，则要判断类的初始化状态，如果是位初始化，则要进行初始化。如果是正在初始化，则要等待其他线程初始化完成，如果是已经初始化，则直接使用此类对象。

public class InstanceFactory{ 
    private static class InstanceHolder{ 
        public static Instance = new Instance(); 
     } 
      
    public static Instance getInstance(){ 
        return InstanceHolder.instance; //这里将导致instance类被初始化 
    }     
}

结论

字段延迟初始化降低了初始化类或者创建实例的开销，但是增加零访问被延迟促使化的字段的开销。在大部分时候，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，请使用上面基于类初始化方案的延迟初始化。