详解Java单例模式中的中双重检查锁（double checked locking）

爱被打了一巴掌 2023-06-30 08:45 7阅读 0赞

在实现单例模式时，如果未考虑多线程的情况，就容易写出下面的错误代码：

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

在多线程的情况下，这样写可能会导致`uniqueSingleton`有多个实例。比如下面这种情况，考虑有两个线程同时调用`getInstance()`：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>Time</th> 
   <th>Thread A</th> 
   <th>Thread B</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>T1</td> 
   <td>检查到<code>uniqueSingleton</code>为空</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T2</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>检查到<code>uniqueSingleton</code>为空</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T3</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>初始化对象<code>A</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T4</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>返回对象<code>A</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T5</td> 
   <td>初始化对象<code>B</code></td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T6</td> 
   <td>返回对象<code>B</code></td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

可以看到，`uniqueSingleton`被实例化了两次并且被不同对象持有。完全违背了单例的初衷。

# 加锁 #

出现这种情况，第一反应就是加锁，如下：

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

这样虽然解决了问题，但是因为用到了`synchronized`，会导致很大的性能开销，并且加锁其实只需要在第一次初始化的时候用到，之后的调用都没必要再进行加锁。

# 双重检查锁 #

双重检查锁（double checked locking）是对上述问题的一种优化。先判断对象是否已经被初始化，再决定要不要加锁。

## 错误的双重检查锁 ##

public class Singleton {
        private static Singleton uniqueSingleton;
    
        private Singleton() {
        }
    
        public Singleton getInstance() {
            if (null == uniqueSingleton) {
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (null == uniqueSingleton) {
                        uniqueSingleton = new Singleton();   // error
                    }
                }
            }
            return uniqueSingleton;
        }
    }

如果这样写，运行顺序就成了：

1.  检查变量是否被初始化(不去获得锁)，如果已被初始化则立即返回。
2.  获取锁。
3.  再次检查变量是否已经被初始化，如果还没被初始化就初始化一个对象。

执行双重检查是因为，如果多个线程同时了通过了第一次检查，并且其中一个线程首先通过了第二次检查并实例化了对象，那么剩余通过了第一次检查的线程就不会再去实例化对象。

这样，除了初始化的时候会出现加锁的情况，后续的所有调用都会避免加锁而直接返回，解决了性能消耗的问题。

### 隐患 ###

上述写法看似解决了问题，但是有个很大的隐患。实例化对象的那行代码（标记为error的那行），实际上可以分解成以下三个步骤：

1.  分配内存空间
2.  初始化对象
3.  将对象指向刚分配的内存空间

但是有些编译器为了性能的原因，可能会将第二步和第三步进行**重排序**，顺序就成了：

1.  分配内存空间
2.  将对象指向刚分配的内存空间
3.  初始化对象

现在考虑重排序后，两个线程发生了以下调用：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>Time</th> 
   <th>Thread A</th> 
   <th>Thread B</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>T1</td> 
   <td>检查到<code>uniqueSingleton</code>为空</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T2</td> 
   <td>获取锁</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T3</td> 
   <td>再次检查到<code>uniqueSingleton</code>为空</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T4</td> 
   <td>为<code>uniqueSingleton</code>分配内存空间</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T5</td> 
   <td>将<code>uniqueSingleton</code>指向内存空间</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T6</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>检查到<code>uniqueSingleton</code>不为空</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T7</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>访问<code>uniqueSingleton</code>（此时对象还未完成初始化）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>T8</td> 
   <td>初始化<code>uniqueSingleton</code></td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在这种情况下，T7时刻线程B对`uniqueSingleton`的访问，访问的是一个**初始化未完成**的对象。

## 正确的双重检查锁 ##

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

为了解决上述问题，需要在`uniqueSingleton`前加入关键字`volatile`。使用了volatile关键字后，重排序被禁止，所有的写（write）操作都将发生在读（read）操作之前。

至此，双重检查锁就可以完美工作了。

参考资料：

1.  [双重检查锁定模式][Link 1]
2.  [如何在Java中使用双重检查锁实现单例][Java]
3.  [双重检查锁定与延迟初始化][Link 2]

[Link 1]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8C%E9%87%8D%E6%A3%80%E6%9F%A5%E9%94%81%E5%AE%9A%E6%A8%A1%E5%BC%8F
[Java]: http://www.importnew.com/12196.html
[Link 2]: http://www.infoq.com/cn/articles/double-checked-locking-with-delay-initialization#anch136785