雙重檢查鎖定和延遲初始化

雙重檢查鎖定的由來

在Java程式中，有時需要推遲一些高開銷的物件的初始化操作，並且只有在真正使用到這個物件的時候，才進行初始化，此時，就需要延遲初始化技術。

延遲初始化的正確實作是需要一些技巧的，否則容易出現問題，下面一一介紹。

方案1

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

這種做法的錯誤是很明顯的，如果兩個執行緒分別呼叫getInstance，由於共享變數的存取沒有做同步，很容易出現以下兩種情況：

1.執行緒A和B都看到instance沒有初始化，於是分別進行了初始化。

2.instance=new Instance操作被重排序，實際執行過程可能是：先分配內存，然後賦值給instance，最後再執行初始化。如果是這樣的話，其他執行緒可能就會讀取到尚未初始化完成的instance物件。

方案2

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

這種做法的問題是很明顯的，每一次讀取instance都需要同步，可能會對效能產生較大的影響。

方案3

方案3是一個錯誤的雙重檢測加鎖實現，看代碼：

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; 
  } 
}

這種方案看似解決了上面兩種方案都存在的問題，但是也是有問題的。

問題根源

instance = new Instance();

這一語句在實際執行中，可能會被拆分程三條語句，如下：

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

根據重排序規則，後兩條語句不存在資料依賴，因此是可以進行重排序的。

重排序之後，就意味著，instance域在被賦值了之後，指向的物件可能尚未初始化完成，而instance域是一個靜態域，可以被其他執行緒讀取到，那麼其他執行緒就可以讀取到尚未初始化完成的instance網域。

基於volatile的解決方案

要解決這個辦法，只需要禁止語句2和語句3進行重排序即可，因此可以使用volatile來修改instance就能做到了。

private volatile static Instance instance;

因為Volatile語義會禁止編譯器將volatile寫之前的操作重新排序到volatile之後。

基於類別初始化的解決方案

Java語言規範規定，對於每一個類別或介面C ，都有一個唯一的初始化鎖LC與之對應，從C到LC的映射，由JVM實現。每個執行緒在讀取一個類別的資訊時，如果此類尚未初始化，則嘗試取得LC去初始化，如果取得失敗則等待其他執行緒釋放LC。如果能取得到LC，則要判斷類別的初始化狀態，如果是位元初始化，則要進行初始化。如果是正在初始化，則要等待其他執行緒初始化完成，如果是已經初始化，則直接使用此類物件。

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 
    }     
}

結論

欄位延遲初始化降低了初始化類別或建立實例的開銷，但是增加零存取被延遲促使化的欄位的開銷。在大部分時候，正常的初始化要優於延遲初始化。如果確實需要對實例字段使用線程安全的延遲初始化，請使用上面介紹的基於volatile的延遲初始化方案;如果確實需要對靜態字段使用線程安全的延遲初始化，請使用上面基於類別初始化方案的延遲初始化。