【死磕Java併發】—–Java記憶體模型之從JMM角度分析DCL
DCL,即Double Check Lock,中衛雙重檢查鎖定。其實DCL很多人在單例模式中用過,LZ面試人的時候也要他們寫過,但是有很多人都會寫錯。他們為什麼會寫錯呢?其錯誤根源在哪裡?有什麼解決方案?下面就隨LZ一起來分析
問題分析
我們先看單例模式裡面的懶漢式:
public class Singleton { private static Singleton singleton; private Singleton(){} public static Singleton getInstance(){ if(singleton == null){ singleton = new Singleton(); } return singleton; }}
我們都知道這種寫法是錯誤的,因為它無法保證執行緒的安全性。優化如下:
public class Singleton { private static Singleton singleton; private Singleton(){} public static synchronized Singleton getInstance(){ if(singleton == null){ singleton = new Singleton(); } return singleton; }}
優化非常簡單,就是在getInstance方法上面做了同步,但是synchronized就會導致這個方法比較低效,導致程式效能下降,那麼怎麼解決呢?聰明的人們想到了雙重檢查 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,這個程式碼看起來很完美,理由如下:
- 如果檢查第一個singleton不為null,則不需要執行下面的加鎖動作,極大提高了程式的效能;
- 如果第一個singleton為null,即使有多個執行緒同一時間判斷,但是由於synchronized的存在,只會有一個執行緒能夠建立物件;
- 當第一個獲取鎖的執行緒建立完成後singleton物件後,其他的在第二次判斷singleton一定不會為null,則直接返回已經建立好的singleton物件;
通過上面的分析,DCL看起確實是非常完美,但是可以明確地告訴你,這個錯誤的。上面的邏輯確實是沒有問題,分析也對,但是就是有問題,那麼問題出在哪裡呢?在回答這個問題之前,我們先來複習一下建立物件過程,例項化一個物件要分為三個步驟:
- 分配記憶體空間
- 初始化物件
- 將記憶體空間的地址賦值給對應的引用
但是由於重排序的緣故,步驟2、3可能會發生重排序,其過程如下:
- 分配記憶體空間
- 將記憶體空間的地址賦值給對應的引用
- 初始化物件
如果2、3發生了重排序就會導致第二個判斷會出錯,singleton != null,但是它其實僅僅只是一個地址而已,此時物件還沒有被初始化,所以return的singleton物件是一個沒有被初始化的物件,如下:
按照上面圖例所示,執行緒B訪問的是一個沒有被初始化的singleton物件。
通過上面的闡述,我們可以判斷DCL的錯誤根源在於步驟4:
singleton = new Singleton();
知道問題根源所在,那麼怎麼解決呢?有兩個解決辦法:
- 不允許初始化階段步驟2 、3發生重排序。
- 允許初始化階段步驟2 、3發生重排序,但是不允許其他執行緒“看到”這個重排序。
解決方案
解決方案依據上面兩個解決辦法即可。
基於volatile解決方案
對於上面的DCL其實只需要做一點點修改即可:將變數singleton生命為volatile即可:
public class Singleton {
//通過volatile關鍵字來確保安全
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;
}}
當singleton宣告為volatile後,步驟2、步驟3就不會被重排序了,也就可以解決上面那問題了。
基於類初始化的解決方案
該解決方案的根本就在於:利用classloder的機制來保證初始化instance時只有一個執行緒。JVM在類初始化階段會獲取一個鎖,這個鎖可以同步多個執行緒對同一個類的初始化。
public class Singleton {
private static class SingletonHolder{
public static Singleton singleton = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.singleton;
}}
這種解決方案的實質是:執行步驟2和步驟3重排序,但是不允許其他執行緒看見。
Java語言規定,對於每一個類或者介面C,都有一個唯一的初始化鎖LC與之相對應。從C到LC的對映,由JVM的具體實現去自由實現。JVM在類初始化階段期間會獲取這個初始化鎖,並且每一個執行緒至少獲取一次鎖來確保這個類已經被初始化過了。
參考資料
- 方騰飛:《Java併發程式設計的藝術》