双重检查锁定模式Java中的陷阱案例

1、简介

双重检查锁定（也叫做双重检查锁定优化）是一种软件设计模式。

它的作用是减少延迟初始化在多线程环境下获取锁的次数，尤其是单例模式下比较突出。

软件设计模式：解决常用问题的通用解决方案。编程中针对一些常见业务固有的模版。

延迟初始化：在编程中，将对象的创建，值计算或其他昂贵过程延迟到第一次使用时进行。

单例模式：在一定范围内，只生成一个实例对象。

2、Java中的双重检查锁定

单例模式我们需保证实例只初始化一次。

下面例子在单线程环境奏效，多线程环境下会有线程安全问题（instance被初始化多次）。

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

下面例子主要是性能问题。首先加锁操作开销很大，因为线程安全发生在对象初始化，而这里做了做了全局控制，造成浪费。

public synchronized static Singleton getInstance() {
  if (null == instance) {
      instance = new Singleton();
  }
  return instance;
}

为了控制线程安全又能保证性能，双重检查锁定模式出现。

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

逻辑如下：

双重检查锁定模式Java中的陷阱案例

我们分析一下执行逻辑：

假设有三个线程 T1 T2 T3 ，依次访问 getInstance 方法。

T1 第一次检查为Null 进入同步块，T1持有锁，第二次检查为Null 执行对象创建。
T2 第一次检查为Null 进入同步块，T2等待T1释放锁，锁释放后，T2进入执行第二次检查不为Null，返回实例对象。
T3 第一次检查不为Null，直接返回对象。

双重检查锁定模式Java中的陷阱案例

上面一切似乎很完美，但是这里面存在陷阱。根据Java内存模型我们知道，编译器优化处理会进行重排序。

instance = new Singleton() 大体分两个步骤；

1 创建初始化对象；
2 引用赋值。

而 1 2 步骤可能颠倒，会造成对象属性在初始化前调用的错误。

private static Singleton instance;
...
instance = new Singleton();
...

public class Singleton {
  private int age;
  public Singleton() {
      this.age = 80;
  }
}

这种细微的错误不容易出现，但是它的确存在。大家可以参考下面这份报告，里面详细记录这个问题。

双重检查锁定模式Java中的陷阱案例

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

3、列举方案

报告里面也列举了几种解决方案

3.1 利用 ThreadLocal

private static final ThreadLocal<Singleton> threadInstance = new ThreadLocal<>();
public static Singleton getInstance() {
  if (null == threadInstance.get()) {
      createInstance();
  }
  return instance;
}
private static void createInstance() {
  synchronized (Singleton.class) {
      if (instance == null)
          instance = new Singleton();
  }
  threadInstance.set(instance);
}

3.2 利用volatile（解决重排序问题）

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

下面是不同方案下的性能比较报告

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DCL-performance.html