java多线程之延迟初始化-白红宇

有时候我们可能推迟一些高开销的对象的初始化操作，并且只有在使用这些对象时才进行初始化，开发者可以采用延迟初始化来实现该需求。但是要正确实现线程安全的延迟初始化还是需要一些技巧的，否则很容易出现问题。下面是一个非线程安全的延迟初始化的例子：

public class UnsafeLazyInit {		private static Instance instance;		public static Instance getInstance() {		if(instance == null) {           //1:A线程执行			instance = new Instance();   //2:B线程执行		}		return instance;	}}

在UnsafeLazyInit类中，假设A线程执行代码1的同时，B线程执行代码2，此时线程A可能会看到instance对象还没有完成初始化。

对于UnsafeLazyInit类，我们可以对getInstance方法做同步处理来实现线程安全的延迟初始化，代码如下：

public class UnsafeLazyInit {		private static Instance instance;		public synchronized static Instance getInstance() {		if(instance == null) {            //1:A线程执行			instance = new Instance();    //2:B线程执行		}		return instance;	}}

由于对getInstance方法做了同步处理，将导致性能开销，如果getInstance方法被多个线程频繁调用的话，将会导致程序执行性能的下降，而如果getInstance不会被多个线程频繁调用，那么这个方案将会提供令人满意的性能。

对于synchronized方法可能带来的程序执行性能的下降，我们可以使用一种“聪明”的技巧：双重检查锁定（Double-Checked Locking）来降低同步的开销。下面是使用双重检查锁来实现延迟初始化的示例代码：

public class DoubleCheckedLocking {	private static Instance instance;		public static Instance getInstance() {		if(instance == null) {                              //1:第一次检查			synchronized(DoubleCheckedLocking.class) {      //2:加锁				if(instance == null) {                      //3:第二次检查					instance = new Instance();              //4:问题的根源处在这里				}			}		}		return instance;	}}

按照上面的代码，如果第一次检查instance不为null，则不需要执行下面的加锁和二次检查与初始化操作，因此可以大大降低synchronized带来的性能开销，似乎是两全其美的实现方式。

双重检查锁定看起来似乎很完美，但这是一个错误的优化！在线程执行1:第一次检查时，代码读取到instance不为null，其实instance有肯能还没有完成初始化，该问题的根源就在于：重排序。

在创建instance实例时，instance = new Instance()这行代码可以分解为如下3行伪代码：

memory = allocate();    //1：分配对象的内存空间ctorInstance(memory);   //2: 初始化对象instance = memory;      //3: 设置instance指向刚分配的内存

上述伪代码中的2和3之间，可能会发生重排序，重排序后的执行顺序如下：

memory = allocate();   //1：分配对象的内存空间instance = memory;     //3: 设置instance指向刚分配的内存  注意：此时对象还没有被初始化！ctorInstance(memory);  //2: 初始化对象

在上边的java代码中，如果instance = new Instance()发生了重排序，另一个并发线程B就有可能在第一次检查时instance不为null，线程B接下来将访问instance所引用的对象，但此时该对象可能还没有被A线程初始化，也就是会访问一个未被初始化的对象。

知道了这个问题根源以后，可以有两个办法来实现线程安全的延迟初始化：

1.不允许2和3重排序。

2.允许2和3重排序，但不允许其它线程“看到”这个重排序。

1.不允许2和3重排序，只需对双重检查锁定做小小的修改即可，我们把instance声明为volatile型，就可以实现线程安全的延迟初始化，示例代码如下：

public class DoubleCheckedLocking {	private volatile static Instance instance;		public static Instance getInstance() {		if(instance == null) {			synchronized(DoubleCheckedLocking.class) {				if(instance == null) {					instance = new Instance();   //instance为volatile，现在没有问题了。				}			}		}		return instance;	}}

当对象声明为volatile后，伪代码中的2和3的重排序，在多线程环境中将被禁止。

2.允许2和3重排序，但不允许其它线程“看到”这个重排序。

JVM在类的初始化阶段（即在Class被加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，JVM会去获取一个锁，这个锁可以同步多个线程对一个类的初始化。基于这个特性，我们可以在允许2和3重排序的情况下，实现线程安全的延迟初始化。

public class InstanceFactory {		private static class InstanceHolder {		public static Instance instance = new Instance();	}		public static Instance getInstance() {		return InstanceHolder.instance;    //这里将导致InstanceHolder类被初始化	}	}

这个方案的实质是：允许2和3重排序，但是不允许非构造线程（如线程B）“看到”这个重排序。

在InstanceFactory中，首次执行getInstance方法的线程（如线程A）将导致InstanceHolder类被初始化，但是如果多个线程同时调用getInstance方法，将会怎样呢？

Java语言规范规定，对于每一个类或接口C，都有一个唯一的初始化锁LC与之对应，从C到LC的映射，由JVM的具体实现去自由实现。JVM在初始化期间会获取这个初始化锁，并且每个线程至少获取一次锁来确保这个类被初始化了。

这个过程比较冗长，这里不做过多描述，总之就是JVM通过初始化锁同步了多个线程同时初始化一个对象的操作，保证类不会被多次初始化。

通过对比基于volatile的双重检查锁定的方案和基于类初始化的方案，我们发现基于类初始化的方案更加简洁。但基于volatile的双重检查锁定方案有一个额外优势：除了可以对静态字段实现延迟初始化外，还可以对实例字段实现延迟初始化。

在设计模式中，有一个单例模式（Singleton），该模式比较常用，我们可以使用基于volatile的双重检查锁定和基于类初始化的方案去创建单例对象，在实际工作中，我一般是使用基于类初始化的方案去实现单例模式。