雙重檢查鎖單例模式為什么要用volatile關(guān)鍵字？-創(chuàng)新互聯(lián)

前言

從Java內(nèi)存模型出發(fā)，結(jié)合并發(fā)編程中的原子性、可見(jiàn)性、有序性三個(gè)角度分析volatile所起的作用，并從匯編角度大致說(shuō)了volatile的原理，說(shuō)明了該關(guān)鍵字的應(yīng)用場(chǎng)景；在這補(bǔ)充一點(diǎn)，分析下volatile是怎么在單例模式中避免雙檢鎖出現(xiàn)的問(wèn)題的。

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并發(fā)編程的3個(gè)條件

1、原子性：要實(shí)現(xiàn)原子性方式較多，可用synchronized、lock加鎖，AtomicInteger等，但volatile關(guān)鍵字是無(wú)法保證原子性的；
2、可見(jiàn)性：要實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性，也可用synchronized、lock，volatile關(guān)鍵字可用來(lái)保證可見(jiàn)性；
3、有序性：要避免指令重排序，synchronized、lock作用的代碼塊自然是有序執(zhí)行的，volatile關(guān)鍵字有效的禁止了指令重排序，實(shí)現(xiàn)了程序執(zhí)行的有序性；

雙重檢查鎖定模式

雙重檢查鎖定（Double check locked）模式經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在一些框架源碼中，目的是為了延遲初始化變量。這個(gè)模式還可以用來(lái)創(chuàng)建單例。下面來(lái)看一個(gè) Spring 中雙重檢查鎖定的例子。

這個(gè)例子中需要將配置文件加載到 handlerMappings中，由于讀取資源比較耗時(shí)，所以將動(dòng)作放到真正需要 handlerMappings的時(shí)候。我們可以看到 handlerMappings前面使用了volatile。有沒(méi)有想過(guò)為什么一定需要 volatile？雖然之前了解了雙重檢查鎖定模式的原理，但是卻忽略變量使用了 volatile。
下面我們就來(lái)看下這背后的原因。

錯(cuò)誤的延遲初始化例子

想到延遲初始化一個(gè)變量，最簡(jiǎn)單的例子就是取出變量進(jìn)行判斷。

這個(gè)例子在單線程環(huán)境可以正常運(yùn)行，但是在多線程環(huán)境就有可能會(huì)拋出空指針異常。為了防止這種情況，我們需要在該方法上使用 synchronized。這樣該方法在多線程環(huán)境就是安全的，但是這么做就會(huì)導(dǎo)致每次方法調(diào)用都需要獲取與釋放鎖，開(kāi)銷很大。
深入分析可以得知只有在初始化的變量的需要真正加鎖，一旦初始化之后，直接返回對(duì)象即可。
所以我們可以將該方法改造以下的樣子。

這個(gè)方法首先判斷變量是否被初始化，沒(méi)有被初始化，再去獲取鎖。獲取鎖之后，再次判斷變量是否被初始化。第二次判斷目的在于有可能其他線程獲取過(guò)鎖，已經(jīng)初始化改變量。第二次檢查還未通過(guò)，才會(huì)真正初始化變量。
這個(gè)方法檢查判定兩次，并使用鎖，所以形象稱為雙重檢查鎖定模式。
這個(gè)方案縮小鎖的范圍，減少鎖的開(kāi)銷，看起來(lái)很完美。然而這個(gè)方案有一些問(wèn)題卻很容易被忽略。

new 實(shí)例背后的指令

這個(gè)被忽略的問(wèn)題在于 Cache cache=new Cache()這行代碼并不是一個(gè)原子指令。使用 javap -c指令，可以快速查看字節(jié)碼。

從字節(jié)碼可以看到創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象實(shí)例，可以分為三步：
分配對(duì)象內(nèi)存
調(diào)用構(gòu)造器方法，執(zhí)行初始化
將對(duì)象引用賦值給變量。
虛擬機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，以上指令可能發(fā)生重排序。以上代碼 2,3 可能發(fā)生重排序，但是并不會(huì)重排序 1 的順序。也就是說(shuō) 1 這個(gè)指令都需要先執(zhí)行，因?yàn)?2,3 指令需要依托 1 指令執(zhí)行結(jié)果。
Java 語(yǔ)言規(guī)規(guī)定了線程執(zhí)行程序時(shí)需要遵守 intra-thread semantics。intra-thread semantics保證重排序不會(huì)改變單線程內(nèi)的程序執(zhí)行結(jié)果。這個(gè)重排序在沒(méi)有改變單線程程序的執(zhí)行結(jié)果的前提下，可以提高程序的執(zhí)行性能。
雖然重排序并不影響單線程內(nèi)的執(zhí)行結(jié)果，但是在多線程的環(huán)境就帶來(lái)一些問(wèn)題。

上面錯(cuò)誤雙重檢查鎖定的示例代碼中，如果線程 1 獲取到鎖進(jìn)入創(chuàng)建對(duì)象實(shí)例，這個(gè)時(shí)候發(fā)生了指令重排序。當(dāng)線程1 執(zhí)行到 t3 時(shí)刻，線程 2 剛好進(jìn)入，由于此時(shí)對(duì)象已經(jīng)不為 Null，所以線程 2 可以自由訪問(wèn)該對(duì)象。然后該對(duì)象還未初始化，所以線程 2 訪問(wèn)時(shí)將會(huì)發(fā)生異常。

volatile 作用

正確的雙重檢查鎖定模式需要需要使用 volatile。volatile主要包含兩個(gè)功能。
保證可見(jiàn)性。使用 volatile定義的變量，將會(huì)保證對(duì)所有線程的可見(jiàn)性。
禁止指令重排序優(yōu)化。
由于 volatile禁止對(duì)象創(chuàng)建時(shí)指令之間重排序，所以其他線程不會(huì)訪問(wèn)到一個(gè)未初始化的對(duì)象，從而保證安全性。
注意，volatile禁止指令重排序在 JDK 5 之后才被修復(fù)

使用局部變量?jī)?yōu)化性能

重新查看 Spring 中雙重檢查鎖定代碼。

可以看到方法內(nèi)部使用局部變量，首先將實(shí)例變量值賦值給該局部變量，然后再進(jìn)行判斷。最后內(nèi)容先寫入局部變量，然后再將局部變量賦值給實(shí)例變量。
使用局部變量相對(duì)于不使用局部變量，可以提高性能。主要是由于 volatile變量創(chuàng)建對(duì)象時(shí)需要禁止指令重排序，這就需要一些額外的操作。

總結(jié)

對(duì)象的創(chuàng)建可能發(fā)生指令的重排序，使用 volatile可以禁止指令的重排序，保證多線程環(huán)境內(nèi)的系統(tǒng)安全。

最后

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