Java中的雙重檢查鎖（double checked locking）

最初的代碼

在最近的項目中，寫出了這樣的一段代碼

private static SomeClass    instance;

public SomeClass getInstance() {
    if (null == instance) {
        instance = new SomeClass();
    }
    return instance;
}

然後在Code Review的時候被告知在多線程的情況下，這樣寫可能會導致instance有多個實例。比如下面這種情況：

Time	Thread A	Thread B
t1	A1 檢查到instance爲空
t2		B1 檢查到instance爲空
t3		B2 初始化對象
t4	A2 初始化對象

第一次的解決方案

於是就想到了爲這個方法加鎖，如下：

private static SomeClass    instance;

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

但是又被提醒這樣雖然解決了問題，但是會導致很大的性能開銷，而加鎖只需要在第一次初始化的時候用到，之後的調用都沒必要再進行加鎖，於是就瞭解到了雙重檢查鎖（double checked locking）的辦法。

第二次的解決方案

private static SomeClass    instance;

public SomeClass getInstance() {
    if (null == instance) {                     // 第一重檢查
        synchronized (this) {
            if (null == instance) {             // 第二重檢查
                instance = new SomeClass();     // 這裏有問題
            }
        }
    }
    return instance;
}

這樣寫的話，運行順序就成了：

1. 檢查變量是否被初始化(不去獲得鎖)，如果已被初始化立即返回這個變量。
2. 獲取鎖
3. 第二次檢查變量是否已經被初始化：如果其他線程曾獲取過鎖，那麼變量已被初始化，返回初始化的變量。否則，初始化並返回變量。

這樣，除了初始化的時候會出現加鎖的情況，後續的所有調用都會避免加鎖而直接返回，從而避免了性能問題，而且看似也解決了同步的問題，然而這樣寫有個很大的隱患。詳細原因如下：

實例化對象的那行代碼（標記爲有問題的那行），實際上可以分解成以下三個步驟：

1. 分配內存空間
2. 初始化對象
3. 將對象指向剛分配的內存空間

但是有些編譯器爲了性能的原因，可能會將第二步和第三步進行重排序，順序就成了：

1. 分配內存空間
2. 將對象指向剛分配的內存空間
3. 初始化對象

現在考慮重排序後，發生了以下這種調用：

Time	Thread A	Thread B
t1	A1 檢查到instance爲空
t2	A2 獲取鎖
t3	A3 再次檢查到instance爲空
t4	A4 爲instance分配內存空間
t5	A5 將instance指向內存空間
t6		B1 檢查到instance不爲空
t7		B2 訪問instance（對象還未初始化）
t8	A6 初始化instance

注意，在這種情況下，t7時刻線程B對instance的訪問，訪問的是一個初始化未完成的對象！

最終的解決方案

爲了解決上述問題，可以在instance前加入關鍵字volatile。使用了volatile變量後，就能保證先行發生關。對於volatile變量，所有的寫（write）都將先行發生於讀（read），但在Java5之前不是這樣，所以這樣的方法只針對Java5及以上的版本。

private volatile static SomeClass    instance;

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

至此，雙重檢查鎖就可以完美工作了。現在實現單例模式也有了別的更好的辦法，但個人覺得這樣的坑很有教育意義，故做此記錄。

參考資料：

1. 雙重檢查鎖定模式
2. 如何在Java中使用雙重檢查鎖實現單例
3. 雙重檢查鎖定與延遲初始化